El controlador lógico programable ( PLC ) es una computadora para la industria originalmente especializada en la gestión o control de procesos industriales .
Ejecuta un programa y procesa las señales digitales y analógicas provenientes de los sensores y dirigidas a los actuadores presentes en una planta industrial, con la estructura del PLC que se adapta de acuerdo al proceso a automatizar : durante el diseño del sistema de control , las tarjetas se eligen de acuerdo con las magnitudes eléctricas implicadas ; a continuación, las distintas tarjetas se insertan en el rack BUS o PLC. El primer PLC fue creado por Dick Morley en 1968 bajo la marca Modicon, ahora propiedad de Schneider Electric .
Con el tiempo, con la progresiva miniaturización de los componentes electrónicos y la disminución de costos, también ha entrado en uso doméstico; la instalación de un PLC en el cuadro eléctrico de una vivienda, aguas abajo de los interruptores magnetotérmicos y diferenciales (salvavidas), permite la gestión automática de los múltiples sistemas y sistemas instalados en la vivienda: calefacción, antirrobo , riego, LAN , luces, etc. Es un objeto de hardware modular . La característica principal es su extrema robustez; de hecho, normalmente se coloca en cuadros eléctricos en ambientes ruidosos, con muchas interferencias eléctricas, con altas temperaturas o con mucha humedad . En algunos casos el PLC está en funcionamiento las 24 horas del día, los 365 días del año, en plantas que nunca pueden parar.
Un PLC está compuesto por una fuente de alimentación , la CPU que en algunos casos puede tener memoria interna o externa del tipo RAM , ROM , EPROM o EEPROM , un número determinado de tarjetas de entradas y salidas digitales, y en caso de ser necesario administrar cantidades analógicas, el PLC puede albergar tarjetas de entrada o salida tanto analógicas como digitales.
Si el PLC opera en red con otros PLC, se requieren tarjetas de comunicación adecuadas para el protocolo de red ya implementado en los otros PLC.
En el caso de operaciones de manipulación, como en el campo de la robótica , el PLC alberga tarjetas de control de ejes, es decir, tarjetas muy rápidas y sofisticadas que permiten gestionar movimientos y posicionamientos.
La fuente de alimentación es un dispositivo necesario para el funcionamiento de los PLC. Se utiliza para suministrar energía eléctrica a todas las tarjetas PLC. Suministra las tensiones de 5 V necesarias para los cuadros, las tensiones de + o - 12 V, las demás tensiones necesarias, siempre en corriente continua (dc). Puede ser interno o externo al PLC. En uso normal, en el ámbito industrial, la alimentación es de 24 V dc compatible con la mayoría de sensores del mercado.
La CPU es el cerebro del PLC. La CPU es una placa compleja basada en lógica programable con funciones básicas de acceso a E/S y almacenamiento, así como bootloader , y con un área de memoria disponible para el programa de usuario, es decir, el programa de automatización.
La memoria de usuario suele ser externa, como en el caso de la memoria EPROM . La ventaja de una memoria externa está ligada a la sencillez de programación o modificación de la misma.
La CPU, durante la operación de estado estable, se comunica con todas las tarjetas conectadas en el BUS del PLC, transfiriendo datos y comandos hacia y desde el mundo exterior (entrada y salida).
Una de las características peculiares de muchas CPU es la capacidad de gestionar cambios en el programa de gestión de procesos durante el funcionamiento normal. Esta posibilidad es extremadamente útil en el caso de plantas que deben estar siempre activas, como en control de procesos y producción industrial en serie.
Dentro de la CPU hay varias partes, incluyendo
Las tarjetas de entradas digitales se utilizan para el control de cantidades "digitales", es decir, voltajes con dos valores (por ejemplo, 0 V o 24 V, o 0 V 110 V). Cada tarjeta puede gestionar de 4 a 64 entradas digitales diferentes. Las señales de campo se hacen llegar con cables eléctricos hasta la regleta de bornes del cuadro.
Las tarjetas de salidas digitales se utilizan para los comandos de los actuadores digitales . Por ejemplo, un relé es un actuador digital, ya que solo puede tener dos estados estables: desenergizado o energizado. Otro ejemplo de un actuador es una válvula digital de dos estados : abierta, cerrada (válvula solenoide). Incluso en el caso de tarjetas de salidas digitales, se pueden gestionar desde un mínimo de 4 hasta un máximo de 64 salidas digitales diferentes.
Este tipo de tarjetas de entrada permiten el control de magnitudes eléctricas cuyo valor puede variar dentro de un intervalo. Las cantidades involucradas son voltaje o corriente. Por ejemplo, se encuentran disponibles tarjetas de entrada de corriente analógica, con un rango variable entre 4 m A y 20 mA. Muchos fabricantes de PLC ponen a disposición placas con entradas analógicas tanto para sondas de temperatura Pt100 como para termopares T , J, K , etc. Estas tarjetas están disponibles con varias resoluciones (8-12-14-16 bits ) y con 1 o más entradas separadas galvánicamente disponibles en la placa de terminales o en el conector frontal .
Las tarjetas de salida analógica le permiten controlar actuadores variables. Pueden ser en corriente o en tensión y tienen una resolución determinada que se puede expresar en bits. Por ejemplo, es posible controlar un motor eléctrico mediante un inversor variando su velocidad , mediante la frecuencia , desde cero hasta su velocidad máxima. Además del ejemplo citado anteriormente, los ajustes de luz se utilizan para los ajustes de temperatura al variar el rango de salida. Un ejemplo que puede quedar muy claro es el de la intensidad lumínica de una serie de plafones. Mediante un potenciómetro aumentaremos o disminuiremos la intensidad de la luz. Cada aumento o disminución de la luz corresponde a una señal de corriente o voltaje equivalente.
Durante su funcionamiento, el PLC puede comunicarse con ordenadores, con otros PLC o con otros dispositivos como máquinas CNC (tornos y/o fresadoras CNC de empresas).
La comunicación con ordenadores y otros dispositivos se realiza a través de tipos de conexión estándar como:
La comunicación con otros PLC se realiza a través de protocolos estándar, por ejemplo:
etc.
Muchos PLC, además de las habituales tarjetas de entradas/salidas analógicas/digitales, tienen en su catálogo módulos dedicados a determinadas tareas de automatización. La ventaja de utilizar estas tarjetas es tener el control de una operación/evento independientemente del ciclo del PLC, relegando el PCM a la función de control/parametrización. La oferta es realmente amplia y cada fabricante ofrece las más variadas soluciones del catálogo, entre ellas:
Tarjetas de conteo rápidoSon capaces de recibir la señal de un sensor de contaje y dirección (subir/bajar, es decir, aumentar/disminuir) más un canal de reinicio, tanto en un solo extremo (es decir, en niveles de tensión de 0 ÷ 24 V) como en diferencial (normalmente según RS). -422 estándar); normalmente es posible programarlos de tal manera que disparen un evento (por ejemplo elevando una salida) cuando se alcanza un conteo dado o si el conteo está incluido entre una ventana de valores. Un número limitado de salidas programables normalmente está disponible en estas tarjetas.
Tarjetas de programadores de levasLa tarea de estas tarjetas es emular una o más levas mecánicas; aceptan en entrada una señal proveniente de un codificador y es posible, si la posición está dentro de ciertas ventanas, disparar un evento a través de una salida digital programable.
Tarjetas PID (Derivada Integral Proporcional)A menudo en el campo industrial es necesario controlar una variable de proceso (por ejemplo la potencia aplicada a un elemento calefactor), detectando una variable que depende de ella (por ejemplo la temperatura de un ambiente). Si el proceso es particularmente crítico, es necesario realizar el control con precisión, a través de módulos dedicados.
En el pasado, antes de la aparición de los controladores lógicos programables (PLC), existían módulos hardware, en algunos casos fabricados con tecnologías híbridas mecánicas, neumáticas, electromecánicas, capaces de realizar la regulación sumando las tres acciones proporcional, integradora y derivativa, pero hasta el día de hoy son fabricados por los propios fabricantes de PLC, no sólo como bloques de hardware adicionales, sino también como bloques de software a los que basta con pasar los parámetros correctos.
Se utilizan donde es necesario controlar el movimiento de una pieza mecánica mediante un motor, ya sea brushless o paso a paso . Algunas tarjetas tienen una operación particularmente simple que permite establecer una cuota de entrega que el eje debe alcanzar y una entrada para la retroalimentación de posición , otras, particularmente complejas, permiten una gran flexibilidad y permiten emular diferentes perfiles. Para llevar a cabo estos posicionamientos, generalmente se requiere un módulo de potencia externo (amplificador de corriente) para el control efectivo del motor.
Tarjetas de seguridadUtilizado con CPU de seguridad Se utilizan para todas las señales y secuencias cuyo control debe cumplir con las normas de seguridad.
La primera acción que realiza el PLC es la lectura de las entradas del portal y comprende todas las entradas digitales y analógicas, en placa o en bus de campo (tarjetas remotas conectadas al PLC o con red de comunicación). Después de leer todas las entradas, su estado se almacena en una memoria que se denomina "registro de imagen de entrada". En este punto, las instrucciones de comando son procesadas secuencialmente por la CPU y el resultado se almacena en el "Registro de imagen de las salidas". Finalmente, el contenido de la imagen de salida se escribe en las salidas físicas, es decir, las salidas se activan. Dado que el procesamiento de instrucciones se repite una y otra vez, hablamos de procesamiento cíclico; el tiempo que tarda el controlador en un solo procesamiento se denomina tiempo de ciclo (generalmente de 10 a 100 milisegundos).
El PLC debe estar programado para cumplir con sus tareas. La programación del PLC normalmente se realiza con una PC en la que un software especializado permite crear programas para cargar en la memoria de la CPU del PLC.
Este software de programación puede leer el programa directamente desde la memoria de la CPU y ver el programa en la PC. Normalmente, el programa se escribe en la PC, luego se descarga en el PLC y se guarda en la PC misma, para modificaciones adicionales o por seguridad.
La norma IEC 1131-3 de 1993 ha estandarizado 5 lenguajes de programación, de los cuales 3 son gráficos y 2 textuales.
La norma se actualizó posteriormente con el lanzamiento de "CEI EN 61131-3", también conocida como "CEI 65-40", Primera edición: 1 de junio de 1996.
Los PLC se adaptan bien a una variedad de tareas de automatización . Estos son típicamente procesos industriales en el sector manufacturero, donde los costos de desarrollo y mantenimiento del sistema de automatización son altos en relación con el costo total de la automatización, y donde se esperan cambios en el sistema durante su vida operativa. Los PLC contienen dispositivos de entrada y salida compatibles con dispositivos piloto y controles industriales; requieren poco diseño eléctrico y el problema de diseño se centra en la secuencia deseada de operaciones. Las aplicaciones de PLC suelen ser sistemas altamente personalizados, por lo que el costo de un PLC preempaquetado es bajo en comparación con el costo de un diseño de controlador personalizado. Por otro lado, en el caso de productos fabricados en serie, los sistemas de control personalizados son baratos. Esto se debe al menor costo de los componentes, que se pueden elegir de manera óptima en lugar de una solución "genérica", y donde los costos no recurrentes del proyecto se distribuyen entre miles o millones de unidades.
Para aplicaciones en gran número o en el caso de tareas de automatización fijas y muy sencillas, se utilizan diferentes técnicas. Por ejemplo, un lavavajillas doméstico podría controlarse mediante un temporizador de leva electromecánico que cuesta muy poco si se produce en grandes cantidades.
Un diseño basado en microcontrolador sería apropiado donde se producen cientos o miles de unidades y, por lo tanto, el costo de desarrollo (diseño de la fuente de alimentación, hardware de entrada/salida y pruebas y certificación requeridas) se puede repartir entre muchas ventas, y donde el usuario final no es necesario cambiar el control. Un ejemplo son las aplicaciones automotrices; Cada año se fabrican millones de unidades y muy pocos usuarios finales alteran la programación de estos controladores. Sin embargo, algunos vehículos especiales, como los autobuses, utilizan de manera económica PLC en lugar de controles diseñados a medida, porque los volúmenes son bajos y el costo de desarrollo no sería económico. [2]
Un control de proceso muy complejo, como el que se usa en una planta química , puede requerir algoritmos y rendimientos que van más allá de la capacidad del PLC, incluso con altos rendimientos. Los controles de precisión o de alta velocidad también pueden requerir soluciones personalizadas; por ejemplo , controles de vuelo de aeronaves . Para aplicaciones de control muy exigentes, donde el alto costo de desarrollo y mantenimiento puede sostenerse, se pueden usar computadoras de placa única que usan hardware semi-personalizado o completamente propietario. Los "PLC suaves" que se ejecutan en computadoras de escritorio son capaces de interactuar con el hardware de E / S industrial ejecutando programas en una versión comercial del sistema operativo adaptada para las necesidades de control de procesos. [2]