Controladores Lógicos Programables PLC: Funcionamiento y Arquitectura Industrial

Definición y Campo de Aplicación del PLC

Un autómata programable o PLC (Controlador Lógico Programable) es un dispositivo electrónico capaz de gestionar los circuitos de automatismos industriales de forma programada. En la actualidad, el uso de los autómatas programables está totalmente generalizado en la industria, aunque en otros sectores, como la domótica, también tiene una gran presencia. Estos dispositivos permiten procesar de forma inteligente las señales procedentes de una multitud de variables físicas que existen en los procesos industriales y actuar en consecuencia del estado de las mismas.

Evolución de Sistemas Cableados a Sistemas Programados

Los automatismos que se realizan habitualmente de tipo cableado presentan la característica de que, a medida que el automatismo gana en complejidad, también lo hace el cableado del circuito de mando y aumenta notablemente el número de elementos físicos a utilizar, tales como relés, temporizadores y contadores, entre otros. El PLC permite sustituir por completo estos circuitos de mando cableado, eliminando la necesidad de interconectarlos físicamente.

Estructura del Autómata Programable

El autómata programable está gestionado por un sistema electrónico basado en un microprocesador, el cual es el encargado de procesar las señales del exterior, tanto de lectura como de escritura, a través de las interfaces de entradas y salidas. Para el funcionamiento óptimo y continuado del sistema electrónico, es totalmente necesaria una fuente de tensión. Los programas se almacenan en los diferentes tipos de memoria de los que el PLC dispone y se gestiona todo desde un elemento de programación externo.

Clasificación de los Autómatas de Tipo Compacto

Son aquellos que contienen todos sus elementos esenciales, tales como las entradas y salidas (E/S), la CPU, la fuente de alimentación y demás componentes, en una misma envolvente o carcasa. La mayoría de estos modelos presentan la característica de ser perfectamente ampliables con diferentes tipos de módulos adicionales, como módulos de entradas, de salidas, de comunicación o módulos especiales.

Características Detalladas de los Relés Programables

Dentro del grupo de los compactos cabe destacar los denominados relés programables, que algunos fabricantes están desarrollando con gran éxito para aplicaciones domésticas y gestión de pequeña maquinaria. Disponen de un teclado básico de 6 u 8 teclas situado directamente en su frontal, con el que es posible realizar todas las tareas de programación y parametrización disponibles de una forma rápida y sencilla. Presentan además la posibilidad de ser conectados, con la interfaz adecuada, a un ordenador personal para la edición, grabación e impresión de programas de usuario, y en la actualidad se pueden ampliar con módulos de expansión de todo tipo, siendo un ejemplo muy representativo el modelo Siemens LOGO!.

Clasificación de los Autómatas de Tipo Semicompacto

Son aquellos sistemas en los que alguno de sus elementos principales se encuentra ubicado intencionadamente fuera de la envolvente o carcasa principal del equipo, siendo el ejemplo más habitual y característico de este componente externo la fuente de alimentación.

Clasificación de los Autómatas de Tipo Modular

Son aquellos en los que cada uno de los elementos que lo forman está alojado en una envolvente diferente, las cuales se instalan y conectan sobre un rack o chasis común. Las posibilidades de expansión de estos equipos son enormes comparándolas con las de tipo compacto y semicompacto, pero presentan la contrapartida de que su coste económico es mucho más elevado.

Unidad Central de Procesos (CPU) como Cerebro

La Unidad Central de Procesos es el cerebro del autómata y está constituida básicamente por el microprocesador y la memoria. Tiene como misión fundamental procesar las señales procedentes del módulo de entradas y actuar sobre el módulo de salidas en función estricta de las instrucciones del programa. Además, debe detectar errores de funcionamiento del propio equipo y señalizarlos al usuario a través de una pantalla de información o de indicadores LED.

Elementos Físicos y Tipos de Memoria de la CPU

La CPU suele disponer de un interruptor físico (Run/Stop) para poner en marcha y detener la ejecución del programa de usuario, y en su carcasa suele estar ubicado el interfaz de conexión por el que se realiza la comunicación con la programadora. Dispone de dos tipos de memoria:

• Memoria RAM: que es volátil y se borra por completo cuando el equipo queda sin alimentación eléctrica.
• Memoria EPROM: que es no volátil y se mantiene aunque cese la alimentación.

Para salvaguardar el contenido de la memoria RAM ante cortes de alimentación, los fabricantes recurren al uso de baterías o condensadores de alta capacidad.

Misión y Conexionado de la Fuente de Alimentación

Tiene como misión convertir la corriente alterna de la red eléctrica en corriente continua para alimentar los circuitos integrados y los componentes electrónicos del interior del autómata. Por lo general, la tensión de trabajo interna suele ser de 24 V en corriente continua, pero existen modelos que trabajan a 48 V. Cuando los captadores pasivos están próximos al autómata, pueden ser conectados directamente a la fuente de alimentación. Los captadores de tipo activo también pueden ser alimentados por el propio autómata, pero siempre teniendo en cuenta la corriente que consume cada uno de ellos para evitar una sobrecarga en la fuente, siendo necesaria una fuente de alimentación externa en el caso de utilizar una gran cantidad de captadores activos.

Módulos de Interfaces de Entradas y Salidas Digitales

Este bloque está formado por un conjunto de módulos, estructuras de conexionado y soporte cuyas principales funciones son adaptar la tensión de trabajo de los actuadores y captadores a los dispositivos electrónicos del autómata, que trabajan a diferentes tensiones, y aislar eléctricamente los circuitos de mando de los circuitos de potencia.

Funcionamiento y Señales del Módulo de Entradas Digitales

Este módulo tiene como misión recibir la información procedente del control de un proceso o de una máquina. Esta información es procesada por la CPU según el programa residente en la memoria, y a este módulo se unen eléctricamente los captadores, tales como interruptores, finales de carrera, pulsadores, sensores o detectores de posición. Las entradas digitales captan señales de tipo discreto que varían su estado ante cambios de tensión todo o nada, es decir, el valor máximo o mínimo de la tensión de alimentación. La CPU detecta un 1 lógico cuando el valor es máximo, o un 0 lógico cuando el valor es mínimo.

Tipos de Alimentación del Módulo de Entradas Digitales

La alimentación se realiza atendiendo al tipo de autómata y a la aplicación a la que va destinado, existiendo dos tipos concretos:

• Entradas a 24 Vcc: que se conectan directamente de la fuente de alimentación del autómata o a una fuente de alimentación auxiliar (siendo necesario en este segundo caso unir la masa de la fuente auxiliar con la del propio autómata).
• Entradas a 155-240 Vca: que se conectan a la red de corriente alterna que alimenta la instalación, las cuales no son tan habituales pero algunos fabricantes las desarrollan para ser utilizadas en instalaciones de viviendas.

Funcionamiento del Módulo de Salidas Digitales

Este módulo tiene como misión enviar las señales de activación y desactivación a los actuadores. La información es enviada por las entradas a la CPU y, una vez procesada según el programa, el procesador genera las órdenes al módulo de salidas para que sean activadas o desactivadas, transmitiendo a su vez estos cambios a los actuadores y preactuadores. Envían señales de tipo todo o nada, pudiéndose distinguir concretamente los tipos de salida a relés y salidas a transistor.

Particularidades Técnicas de las Salidas a Relés

Las salidas a relés son libres de tensión y por lo tanto se pueden utilizar para cualquier tipo de corriente, ya sea corriente continua (CC) o corriente alterna (CA), y para diferentes tensiones incluso dentro de una misma aplicación. Es habitual encontrar que los contactos de los relés de salida están unidos a un borne común, lo que implica que todos los actuadores que se conecten a ese bloque común de relés deben ser obligatoriamente del mismo tipo de corriente y trabajar a la misma tensión. En este caso, el tipo de alimentación del autómata no está condicionado al que necesitan los actuadores y preactuadores.

Características de las Salidas Analógicas

Las salidas analógicas adaptan la señal de salida, de acuerdo a los estándares técnicos indicados, sobre los actuadores que también son de tipo analógico y están conectados a sus bornes. Para la unión física entre los módulos analógicos y sus actuadores es totalmente necesario utilizar un cable apantallado para evitar interferencias y perturbaciones en las señales enviadas, precaución que evitará el funcionamiento anómalo del automatismo.

Aspectos Externos y Bornes del Autómata Programable

Todos los autómatas presentan en su frontal una serie de indicadores y elementos de conexión esenciales para su puesta en marcha y mantenimiento:

• Bornes de alimentación: permiten la conexión de la tensión necesaria para el autómata (24 Vcc, 48 Vcc o 230 Vca, requiriendo este último conectar el conductor de protección PE o toma de tierra).
• Bornes de E/S: son los elementos de conexión para captadores/actuadores y se presentan en forma de borne, separados físicamente unos de otros para evitar errores de conexión.
• Interfaz de conexión y programación: es un slot, generalmente de tipo informático, que permite conectar el autómata a la consola de programación o a un PC.
• Interfaz de expansión: permite aumentar las posibilidades del equipo con módulos de E/S, de comunicación o especiales.

Elementos de Control y Señalización Externos del PLC

Los indicadores LED están presentes en todos los frontales y se utilizan para señalizar acciones como la captación de señales de entrada, actuación de las salidas, ejecución o parada del programa (RUN/STOP), errores de memoria y errores de ejecución (sustituidos en algunos casos por pantallas LCD). Cuenta con alojamiento para cartucho MEMORY CARD para salvaguardar programas, conector de batería para la pila de salvaguarda, y una fuente de alimentación de 24 Vcc de salida fija para alimentar entradas y captadores activos. El interruptor RUN/STOP ejecuta o detiene el programa y puede incluir una posición central TERM (Terminal) para pasar a estos modos desde la consola, o presentarse como llave de seguridad extraíble. Dispone también de potenciómetros analógicos para variar valores de temporización y cómputo desde el exterior sin modificar la programación.

Funciones Asociadas a la Programación y Equipos de Programación

Los equipos de programación son los elementos que permiten la comunicación entre el usuario y el autómata. Sus funciones principales son:

• Introducir los programas en la memoria.
• Editar y modificar programas existentes en la memoria del autómata.
• Detectar anomalías en el formato de programación.
• Visualizar en tiempo real el estado de las entradas y salidas.

Además, el sistema permite la salvaguarda de ficheros en soporte digital, la posibilidad de imprimir esquemas y programas, realizar una simulación previa del circuito y la generación de documentación y memorias de proyecto.

Definición de Periféricos, Visualizadores y Paneles de Operación

Los periféricos son equipos con posibilidad de conexión al autómata o a la red de comunicación industrial cuya misión es facilitar la labor del usuario en tareas de grabación, presentación e impresión de datos. Los visualizadores y paneles se utilizan para la comunicación hombre-máquina (HMI) y sirven para modificar parámetros del sistema, obtener mensajes de alarmas, visualización del estado del proceso y forzar entradas/salidas, usándose en instalaciones con continuos cambios de variables y seguimiento constante. El control de menús, mensajes y entrada de parámetros se realiza por un teclado tipo membrana adaptado a ambientes industriales o mediante un ordenador personal a través de un cable adaptador, conectándose directamente al autómata o a una red de ellos donde un panel puede actuar como supervisor.

Tipos Concretos de Periféricos de Interfaz (Textuales y Gráficos)

Se distinguen dos tipos concretos:

• Textuales: presentan la información en una pantalla de cristal líquido con mensajes en modo texto, denominados habitualmente visualizadores y utilizados tanto en la industria como en instalaciones automáticas de viviendas y edificios.
• Gráficos: representan el proceso a controlar en una pantalla de forma gráfica. En algunos casos esta pantalla es de tipo táctil, pudiéndose actuar directamente sobre los elementos que aparecen en ella, recibiendo este tipo específico el nombre de Panel de Operación (OP) y utilizándose como puestos de supervisión de procesos industriales.

Características y Funciones de los Sistemas SCADA

Se pueden utilizar ordenadores para tareas de visualización, supervisión y operación mediante la instalación previa de un software denominado SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), el cual permite realizar desde la pantalla del ordenador las funciones de los paneles de operación. Los programas SCADA no sustituyen a las interfaces de programación para PC, sino que coexisten encargándose de informar y controlar en todo momento del estado del proceso productivo. Permiten el diseño a medida de los paneles de operación del proceso o instalación a controlar, pudiéndose incluir de forma detallada alarmas, captura de datos, generación de históricos y visualización de señales.

Ventajas de las Tarjetas de Memoria Memory Card

Los autómatas se benefician de las altas posibilidades de almacenamiento de las actuales tarjetas de memoria (Memory Card), de igual forma que otros dispositivos informáticos como PC, teléfonos móviles o cámaras de fotos. Sus ventajas concretas y directas son su reducido tamaño, su rapidez de conexión, la transferencia prácticamente instantánea del programa al autómata en operaciones críticas de mantenimiento, y la posibilidad de realizar el borrado y la grabación de los datos directamente desde el propio autómata.