Controladores Lógicos Programables (PLCs): Funcionamiento, Estructura y Aplicaciones Industriales

¿Qué es un Controlador Lógico Programable (PLC)?

Un Controlador Lógico Programable (en inglés, Programmable Logic Controller - PLC) es un dispositivo electrónico diseñado para controlar, de manera autónoma, uno o varios procesos secuenciales en entornos industriales.

Su funcionamiento es similar al de un computador personal, pero optimizado para tareas de control en tiempo real. Según la norma NEMA, un PLC es “un aparato electrónico operado digitalmente, que usa una memoria programable para el almacenamiento interno de instrucciones para implementar funciones específicas, tales como lógica, secuenciación, registro y control de tiempos, conteo y operaciones aritméticas para controlar, a través de módulos de entrada/salidas digitales o analógicos, varios tipos de máquinas o procesos”.

Estructura y Componentes Clave de un PLC

La arquitectura interna de un PLC se compone de varias unidades interconectadas que trabajan en conjunto para ejecutar el programa de control:

• CPU (Unidad Central de Procesamiento): Es el "cerebro" del PLC, encargado de procesar las instrucciones del programa y gestionar las operaciones.
• Unidad de Comunicación: Permite al PLC establecer conexión con otros equipos y periféricos, facilitando el intercambio de datos.
• Memoria: Almacena tanto los datos operativos como el programa que el PLC debe ejecutar.
• Fuente de Alimentación: Suministra la energía eléctrica necesaria para el correcto funcionamiento de todos los componentes del PLC.
• Unidad de Entradas/Salidas (E/S): Es el módulo encargado de recibir las señales de los sensores (entradas) y enviar las señales de control a los actuadores (salidas).
• HMI (Interfaz Humano-Máquina): Permite la interacción entre el operador y el PLC, mostrando información del proceso y recibiendo comandos.

Tipos de PLCs

Los Controladores Lógicos Programables se clasifican principalmente en dos categorías, según su diseño físico:

• PLC Compacto: Todos sus elementos (CPU, memoria, E/S, fuente de alimentación) están integrados en una única unidad física. Son ideales para aplicaciones de menor escala.
• PLC Modular: Se componen de módulos separados que se ensamblan según las necesidades del sistema. Esto ofrece mayor flexibilidad y escalabilidad. Se subdividen en:
  • PLC Modular (Estándar Americano): Típicamente incluye módulos dedicados para CPU, procesador de E/S, módulos de entradas discretas, módulos de entradas/salidas analógicas y fuente de alimentación.
  • PLC Modular (Estándar Europeo): Similar al americano, pero con diferencias en los estándares de conexión y diseño, adaptados a las normativas europeas.

Módulos de Entradas/Salidas (E/S) del PLC

Los módulos de E/S son cruciales para la interacción del PLC con el mundo exterior. Contienen procesadores específicos que analizan las señales de entrada, las envían a la CPU y, a su vez, traducen las respuestas de la CPU en señales de salida para los actuadores.

Tipos de Módulos de E/S:

• Entradas Discretas: Reciben señales de encendido/apagado (ON/OFF). Comúnmente operan con voltajes de 220 VAC y 24 VDC (cada una ocupa 1 bit).
• Entradas Analógicas: Reciben señales variables que representan magnitudes físicas (temperatura, presión, etc.). Ejemplos típicos son 4-20 mA y 0-10 V (cada una ocupa 16 bits para mayor resolución).
• Salidas Discretas: Envían señales de encendido/apagado a actuadores. Pueden ser de 220 VAC o 24 VDC (generalmente requieren una fuente externa).
• Salidas Analógicas: Envían señales variables para controlar dispositivos como variadores de velocidad o válvulas proporcionales. Ejemplos son 4-20 mA y 0-10 V (requieren una fuente de 24 VDC).

Comunicación del PLC

La unidad de comunicación del PLC es fundamental para su integración en sistemas de automatización más grandes. Permite la conexión con diversos periféricos y otros dispositivos de control, tales como:

• Impresoras
• Escáneres
• Módulos remotos de E/S
• Dispositivos HMI
• Otros PLCs

La comunicación se establece utilizando ciertos cables y estándares de interfaz, entre los que destacan:

• RS232: Estándar de comunicación serie para distancias cortas.
• RS422: Permite mayores distancias y velocidades que RS232, con capacidad multipunto.
• RS485: Un estándar robusto para redes multipunto, ideal para entornos industriales.
• RJ45: Conector comúnmente utilizado para redes Ethernet, cada vez más presente en PLCs modernos para comunicación de alta velocidad.

Programación de PLCs: Lenguajes y Metodologías

Para que un PLC realice las tareas deseadas, es necesario programarlo con un conjunto de instrucciones específicas. La programación se puede realizar utilizando diversos lenguajes, estandarizados por la norma IEC 61131-3:

• Diagrama de Funciones Secuenciales (SFC - Sequential Function Chart): Lenguaje gráfico para la descripción de procesos secuenciales, ideal para máquinas de estados.
• Diagrama de Bloques de Funciones (FBD - Function Block Diagram): Lenguaje gráfico basado en bloques funcionales predefinidos, útil para control de procesos continuos.
• Diagrama de Escalera (Ladder Diagram - LD): Lenguaje gráfico que simula diagramas de relés eléctricos, muy popular por su similitud con los esquemas de control tradicionales.
• Texto Estructurado (ST - Structured Text): Lenguaje de alto nivel estructurado, similar a lenguajes como C o Pascal, adecuado para algoritmos complejos y cálculos matemáticos.
• Lista de Instrucciones (IL - Instruction List o STL - Statement List): Lenguaje de bajo nivel tipo ensamblador, que utiliza mnemónicos para representar las operaciones.

Aplicaciones Comunes de los PLCs en la Industria

Los PLCs son herramientas versátiles y fundamentales en la automatización industrial, utilizándose para una amplia gama de funciones:

• Detectar diversos tipos de señales provenientes de un proceso (sensores, interruptores, etc.).
• Elaborar y enviar acciones de control a los actuadores (motores, válvulas, luces) de acuerdo con el programa almacenado en su memoria.
• Recibir configuraciones y parámetros de los operadores, y generar reportes sobre el estado del proceso.
• Permitir modificaciones en el programa de control cuando son necesarias, adaptándose a cambios en el proceso o mejoras.

Conceptos Complementarios en Automatización

Relés y Contactores

En resumen, los relés se utilizan para conmutar pequeñas potencias o señales de control, mientras que los contactores están diseñados para conmutar potencias mayores, típicamente en circuitos de fuerza de motores o cargas industriales.

Temporizadores

Los temporizadores son herramientas programables dentro del PLC que permiten activar o desactivar una bobina o una memoria interna del programa después de un tiempo especificado. Son esenciales para controlar secuencias temporizadas en procesos.

Contadores

El módulo de contadores en los PLCs permite contar pulsos o eventos. Disponen de entradas digitales (CC o CA) y pueden realizar conteo ascendente o descendente. En estos módulos, se establece un valor deseado (preset), y cuando las entradas del módulo reciben la cantidad de pulsos configurada, la salida del contador se activa (se pone en estado alto) hasta que se reinicie.