Curso Basico de PLC.pdf

INSTITUTO TECNÓLOGICO DE LÁZARO CÁRDENAS Curso Básico de PLC

ACADEMIA DE ELECTRÓNICA / RASM 1 DE 46

Tabla de Contenido.

1. Generalidades .....................................................................................................................2 1.1. Historia de los PLC’s.....................................................................................................2 1.2. Definición de PLC .........................................................................................................3 1.3. Ventajas de los PLC’s...................................................................................................3

2. Componentes Esenciales del PLC.......................................................................................4

2.1. Procesador ...................................................................................................................4 2.1.1. Arquitectura, Componentes y Funciones Principales .................................................4 2.1.2. Ciclo de Scan del Procesador ....................................................................................6 2.1.3. Diagnósticos del CPU ................................................................................................9 2.1.4. Memoria................................................................................................................... 10 2.1.5. Memoria de Aplicación y su Interacción con las Entradas y Salidas......................... 11

3. Diagramas de Lógica y Simbología de Lógica de Contactos ............................................. 17

3.1. Simbología de Lógica de Contactos............................................................................ 18 3.2. Direccionamiento en el PLC........................................................................................ 19

4. Bastidores de Entradas/Salidas y Tablas de Mapeo.......................................................... 21

4.1. Entradas y Salidas Remotas....................................................................................... 26

5. Entradas y Salidas Discretas ............................................................................................. 28 5.1. Introducción a los Sistemas de Entradas/Salidas Discretas ........................................ 28 5.2. Módulos de Entradas Discretas .................................................................................. 28 5.2.1. Entradas de AC/DC ................................................................................................. 29 5.3. Módulos de Salidas Discretas..................................................................................... 30 5.3.1. Salidas de AC .......................................................................................................... 31

6. Entradas y Salidas Analógicas........................................................................................... 33

6.1. Introducción a los Datos de Entrada Analógicos ......................................................... 33 6.2. Representación de Datos de Entrada Analógicos ....................................................... 35 6.3. Introducción a los Datos de Salida Analógicos............................................................ 41 6.4. Representación de los Datos de Salida Analógicos .................................................... 43

7. Bibliografía ........................................................................................................................ 46



1. Generalidades

1.1. Historia de los PLC’s Los PLC’s fueron introducidos a fines de los años 60. La razón de su aparición fue la necesidad de eliminar los complicados y costosos sistemas de control de máquinas basados en relevadores. Estos nuevos controladores debían ser fáciles de programar por los ingenieros de mantenimiento. También ser capaces de funcionar en los agresivos ambientes industriales, la forma de lograr esto fue usar técnicas de programación con las que los programadores estaban familiarizados y reemplazar los relevadores mecánicos con elementos electrónicos de estado sólido. A mediado de los 70 los PLC comenzaron a tener habilidades de comunicación. Ahora los controladores se podían comunicar entre si para coordinar el accionar de un conjunto de maquinas. También se le agregaron capacidades de transmitir y recibir voltajes variables que le permitían recibir señales analógicas. Durante los años 80 se tendió a la miniaturización de los equipos y la utilización de lenguajes simbólicos de programación en computadoras personales o programadoras portátiles. Hoy en día los PLC son del tamaño de un solo relé. En los 90 se ha tratado de reunir los lenguajes de los PLC bajo un estándar universal único. Ahora se cuenta con controladores programables en función de diagramas de bloques, listas de instrucciones, lenguaje de programación C o texto estructurado, todo al mismo tiempo. También se ha visto que se están introduciendo computadoras personales para remplazar en algunas aplicaciones específicas a los PLC.

Figura 1.1. Modelos de PLC’s Típicos



1.2. Definición de PLC Se define al PLC como un instrumento electrónico digital con una memoria programable para almacenar instrucciones que desarrollan funciones especificas tales como: combinacional, secuencial, cronometraje, conteo y aritmética para controlar maquinas o procesos. Un PLC, denominado así por las siglas en ingles de Controlador Lógico Programable, fue inventado para remplazar los circuitos secuenciales de relés utilizados en el control de máquinas. El PLC trabaja revisando sus entradas, y dependiendo del estado de éstas, manipula el estado de las salidas, encendiéndolas ó apagándolas. El usuario debe ingresar un programa, vía software, que lleva a obtener los resultados de operación deseados.

1.3. Ventajas de los PLC’s Los PLC son usados en varias aplicaciones de tareas cotidianas. Su uso involucra operaciones de maquinado, embalaje, manejo de materiales, ensamblaje automatizado y en casi todas las tareas que involucren movimientos repetitivos. Su uso produce ahorro de costos y tiempo, además de evitar a los operarios la realización de tareas peligrosas. Casi todas las operaciones que requiera controlar aparatos eléctricos necesitan la aplicación de un PLC. Cuando hay cambios en los requerimientos de producción estos involucran al sistema de control. Estas modificaciones llegan a ser muy caras si los cambios requeridos son frecuentes. Debido a que los relévadores son aparatos mecánicos, estos tienen una vida limitada que obliga a apegarse a estrictos programas de mantenimiento. El encontrar las fallas en uno de estos sistemas es una tarea bastante tediosa cuando involucra una cantidad importante de relés. Veamos ahora algunas ventajas de los PLC’ s sobre los relevadores:

� Economía: Cualquier tablero con más de 10 relevadores puede ser sustituido por un PLC a menor costo.

� Diseño: Se reduce la parte del diseño usando un PLC ya que únicamente se determina

el número de E/S. � Instalación: Se reduce el tiempo de cableado y montaje de un PLC.

� Tamaño: El tamaño del tablero de control se reduce considerablemente usando un PLC.

� Mantenimiento: El PLC reduce el tiempo de mantenimiento, además de tener

indicadores de diagnóstico y falla por sistema.



2. Componentes Esenciales del PLC

2.1. Procesador

2.1.1. Arquitectura, Componentes y Funciones Princi pales Cada controlador lógico programable, contiene al menos un procesador central. Hay quienes afirman que es el elemento más importante del PLC. Lo que es indiscutible, es que el procesador central o cpu, constituye el cerebro del sistema. Los componentes principales del cpu son:

� Procesador � Memoria � Fuente de Poder

La figura 2.1, muestra el diagrama simplificado a bloques de un cpu. La arquitectura del cpu puede variar de un fabricante a otro, pero en general, la mayoría de ellos siguen la organización típica de tres componentes. Aún cuando la figura 2.1, muestra la fuente de poder como parte del cpu, en realidad se trata de un dispositivo separado contenida en su propio encapsulado. La fuente de poder se conecta directamente al bastidor del sistema, de donde los otros elementos (cpu, tarjetas de e/s, tarjetas de red, etc), se comunican y reciben potencia. La figura 2.2, muestra la relación funcional e interacción entre los componentes principales del sistema de PLC. En general, el procesador central ejecuta el programa de control almacenado en memoria (RAM por lo general, que puede ser de tipo DRAM o SRAM), en forma de diagrama de escalera, mientras que la fuente de poder suministra energía a todos los componentes del sistema.

Figura 2.1. Diagrama a Bloques del CPU



La principal función del procesador es comandar y gobernar las actividades del sistema completo. Realiza está función mediante la interpretación y ejecución de una colección de programas de sistema conocidos como ‘ejecutivo’ (identificado como el sistema operativo del procesador central). El ejecutivo, un grupo de programas supervisorios, se encuentra almacenado de manera permanente en el procesador y es considerado como parte del procesador en si mismo. Mediante la ejecución del programa ejecutivo, el procesador puede realizar las funciones de control, procesamiento, comunicación, y otras funciones propias de su encomienda. El ejecutivo, realiza comunicación entre el PLC y el usuario vía un dispositivo de programación. Así mismo, soporta otras comunicaciones con dispositivos periféricos, tales como monitoreo de dispositivos de campo, realiza la lectura de datos de diagnóstico de la fuente de poder, tarjetas de e/s, memoria; y la comunicación con la interfase de operador. El cpu del PLC puede contener más de un procesador, para ejecutar las tareas del sistema y/o comunicaciones, debido a los procesadores adicionales incrementan la velocidad de las operaciones. Al usar varios procesadores se dividen las tareas de control y comunicación, esto es conocido como multiprocesamiento. La figura 2.3, muestra una configuración multiprocesador. Otro tipo de arreglo multiprocesador mueve parte de la inteligencia del cpu a un módulo inteligente. Esta técnica usa interfases inteligentes de e/s, las cuales contienen un microprocesador, memoria y una versión reducida del ejecutivo, que realiza tareas de control independientes. Un módulo inteligente típico es el controlador proporcional-integral-derivativo (PID), el cual realiza el control de lazo cerrado independiente del cpu; puede asi mismo, realizar funciones de control servo o en motores por pasos.

Figura 2.2. Interacción de los Componentes de un PLC



Los microprocesadores usados en los PLCs se pueden catalogar de acuerdo a su tamaño de palabra de datos. Las longitudes estándar pueden ser 8, 16 y 32 bits. La longitud de la palabra de datos afecta la velocidad a la que el procesador realiza sus operaciones. La longitud de la palabra de datos está relacionada con la capacidad y el grado de sofisticación del controlador (entre más grande es la palabra, más sofisticado el procesador).

2.1.2. Ciclo de Scan del Procesador La función básica del controlador programable es leer el estado de los dispositivos de campo (entradas), y entonces ejecutar el programa de control, que de acuerdo con la lógica programada, podrá poner en on o en off los dispositivos de salida. El proceso de poner los dispositivos de salida en condición on o off, ocurre en dos pasos. Primero, el procesador ejecuta la lógica del programa, y de acuerdo a esta puede poner en condición on o off las bobinas internas, que forman parte del programa escalera. Debe entenderse que el energizar o desenergizar estas bobinas internas no se traduce necesariamente en un cambio de energía en el dispositivo de campo conectado a la tarjeta de salidas. Enseguida, cuando el procesador ha terminado de ejecutar la lógica del programa de control, realizará la actualización de estados en las tarjetas de salida, es en este paso donde la condición de energía del elemento de campo se iguala con la bobina interna en el programa de lógica. Este proceso de leer las entradas, ejecutar la lógica del programa de control, y actualizar el estado de las salidas, es conocido como ciclo de scan. La figura 2.4, muestra en forma gráfica el ciclo de scan. El proceso de scaneo se repite una y otra vez en el mismo orden, realizando una operación secuencias de la parte superior a la parte inferior. Algunas veces, por amor a la simplicidad, los fabricantes de los PLCs llaman a la ejecución del programa ‘program scan’, y a la actualización de las entradas y salidas ‘I/O update scan’. No obstante, el tiempo de scan total incluye a ambos. El procesador genera una señal interna que indica el final del ciclo de scan, tiene diferentes aplicaciones, es llamada end-of-scan (EOS).

Figura 2.3. Configuración Multiprocesador



El tiempo que el procesador necesita para realizar el ciclo de scan, es llamado ‘tiempo de scan’. El tiempo de scan es el tiempo total que utiliza el procesador para completar el programa y la actualización de la entradas y salidas. Por otra parte, el tiempo requerido para ejecutar el ‘scan del programa’, solamente, depende de dos factores: 1) la cantidad de memoria que utiliza la lógica del programa de control, y 2) el tipo de instrucciones utilizadas para construir el programa (cada instrucción necesita un tiempo de ejecución o ciclos de máquina para completarse). El tiempo de scan puede variar de unas pocas decenas de milisegundo a 50 milisegundos. Los fabricante de PLCs especifican el tiempo de scan, solamente, en base a la cantidad de memoria que ocupa la lógica del programa de control (por ejemplo 1 milisegundo/Kbyte de memoria ocupada por el programa). Sin embargo, existen otros factores que afectan el tiempo de scan. El uso de subsistemas remotos de entradas/salidas puede incrementar el tiempo de scan. El ciclo de scan, normalmente, es un proceso continuo y secuencial de lectura del estado de las entradas, evaluación de la lógica de control, y actualización de las salidas. Un procesador es capaz de leer una entrada siempre y cuando la entrada no sea más rápida que el scan del procesador. Por ejemplo, si un controlador tiene un tiempo de scan total de 10 milisegundos (ver la figura 2.5) y debe monitorear una señal de entrada que cambia dos veces en un periodo de 8 milisegundos, el controlador programable no será capaz de ver la señal, resultando en una posible mal función de la máquina.

Figura 2.4. Representación del Ciclo de Scan del PLC



Las especificaciones del tiempo de scan del controlador programable, indican que tan rápido este puede reaccionar a las entradas y seguir resolviendo correctamente la lógica de control. Ejemplo. Que ocurre con la operación del controlador programable, si durante el ciclo de scan, la señal procedente de un dispositivo de entrada tiene un comportamiento como el que se muestra en la figura 2.6.

Figura 2.5. Ilustración de una Señal que no será detectada por el

PLC durante el scan normal

Figura 2.6. a) Pulso Sencillo, b) Doble Pulso



Solución. En la figura 2.6a, el PLC reconocerá la señal, a pesar de que esta tiene una duración más corta que el ciclo de scan, debido a que se encuentra en la condición ON durante la etapa de lectura de entradas del ciclo de scan. En la figura 2.6b, el PLC reconocerá la primera señal, pero no será capaz de detectar el segundo pulso debido a que la transición del segundo pulso ocurre a la mitad del ciclo de scan. Observe que aún cuando la señal de la figura 2.6a es de menor duración que el ciclo de scan, el PLC la reconoce. Sin embargo, el usuario debería tomar precauciones contra señales que tienen un comportamiento de esta forma, debido a que si el mismo comportamiento ocurre a la mitad del ciclo de scan, el PLC no podrá detectarla. Algunos PLCs proporcionan instrucciones de software que permiten la interrupción del ciclo de scan, para recibir una entrada o actualizar una salida de manera inmediata. La figura 2.7 ilustra como las instrucciones inmediatas operan durante un ciclo de scan normal. Estas instrucciones inmediatas son muy útiles cuando el PLC debe reaccionar instantáneamente a una entrada o salida crítica.

2.1.3. Diagnósticos del CPU El procesador es responsable de la detección de fallas de comunicación, así como otras fallas, que pueden ocurrir durante la operación del sistema. Debe alertar al operador o al sistema en caso de una falla. Para hacer esto, el procesador realiza diagnósticos y detección de errores durante la operación, y envía información de estados a los indicadores que están localizados en la carátula frontal del CPU. Los diagnósticos típicos incluyen memoria, procesador, batería, y fuente de alimentación. Algunos procesadores poseen un juego de contactos de relevador que pueden activar para

Figura 2.7. Actualización inmediata de E/S dentro del Ciclo de Scan



señalizar una falla. El procesador tiene el control de los relevadores de falla y activa uno de ellos cuando ocurre una o más condiciones de falla. Los contactos de relevador que usualmente se proporcionan como parte del procesador, operan en la forma de un ‘watchdog timer’; esto es, el procesador envía un pulso al final de cada ciclo de scan indicando que el sistema opera de forma correcta. Si ocurre una falla, el procesador dejará de enviar el pulso, el tiempo del timer se agota, y el relevador se activa. El algunos controladores, los diagnósticos del cpu están disponibles al usuario durante la ejecución normal del programa. Estos diagnósticos utilizan salidas internas que son controladas por el procesador pero pueden ser usadas por el programador (por ejemplo, pérdida del ciclo de scan, batería baja, etc).

2.1.4. Memoria En la figura 2.8, las dos áreas principales es la organización de memoria del PLC, este arreglo es conocido como mapa de memoria. La primera de estas secciones es la ‘memoria de sistema o memoria ejecutiva’, la segunda es la ‘memoria de aplicación’. Aunque las dos secciones principales aparecen una después de la otra, no necesariamente son adyacentes, ya sea físicamente o por dirección. El mapa de memoria muestra tanto lo que se almacena en la memoria, así como la localidad que se ocupa en ella, de acuerdo a localizaciones definidas llamadas ‘direcciones de memoria’. Es importante entender el mapa de memoria cuando se está creando un programa de control para el PLC y se están definiendo las tablas de datos. No obstante que dos controladores programables raramente tienen mapas de memoria idénticos, se puede generalizar una discusión de la organización de memoria que sería válida debido a que la mayoría de los controladores programables tienen requerimientos de almacenamiento similares. En general, todos los PLCs deben tener localidades de memoria para cuatro áreas básicas, que son las que siguen: La ‘memoria ejecutiva ’ es una colección de programas almacenados en forma permanente y que son considerados parte del PLC en si mismo. Estos programas supervisores, dirigen todas las actividades, tales como ejecución de la lógica de control y comunicación con dispositivos

Figura 2.8. Mapa de Memoria Simplificado



periféricos. La sección ejecutiva es parte de la memoria del PLC donde están almacenadas las instrucciones de software disponibles en cada modelo de cpu (instrucciones de relevador, transferencia de bloques, instrucciones aritméticas, etc). Esta área de memoria no está accesible a usuario. El ‘area de memoria auxiliar’ (Scratch pad area), es un área de almacenamiento temporal que es usada por el procesador para almacenar cantidades de datos relativamente pequeñas, para cálculos provisionales o temporales, el procesador almacena en esta área de memoria datos que son necesarios en forma inmediata, evitando los tiempos de acceso prolongados que invertiría en traer estos datos de la memoria principal (algo similar a la memoria cache de una computadora personal). La ‘memoria de aplicación ’, proporciona el área de almacenamiento para las instrucciones programadas por el usuario y que forman parte de la lógica del programa de aplicación. El área de memoria de aplicación está compuesta de varias áreas, cada una de ellas con una función específica y uso: La ‘tabla de datos ’, almacena todos los datos asociados con el programa de control, tales como preset y valores acumulados para timers y contadores, constantes y variables que son usadas por la lógica del programa de control o el cpu. La tabla de datos, también retiene información de estados, tanto de las entradas (una vez que son leídas al inicio del ciclo de scan), como de las salidas (una vez que son establecidas por el programa de control). El ‘área de programa de usuario ’, proporciona espacio de almacenamiento para las instrucciones y lógica de control programada por el usuario. El área ejecutiva y área scratch pad, permanecen ocultas al usuario y pueden ser consideradas como un área de memoria sencilla que, para nuestro propósito es llamada ‘memoria de sistema’. En el otro sentido, la tabla de datos y el área de memoria de usuario son accesibles y son requeridas por este para aplicaciones de control, son llamadas en conjunto ‘memoria de aplicación’. La memoria total que se especifica para un procesador puede incluir la memoria del sistema y la memoria de aplicación. Aunque normalmente este no es el caso, el máximo de memoria especificado para un determinado procesador normalmente incluye solo la cantidad de memoria disponible para aplicaciones. Otros procesadores, pueden especificar solo la cantidad de memoria disponible para programas, asumiendo un área de datos fija definida por el fabricante.

2.1.5. Memoria de Aplicación y su Interacción con l as Entradas y Salidas La memoria de aplicación almacena las instrucciones programadas y cualquier otro dato que el procesador usará para realizar sus funciones de control. La figura 2.9, muestra un mapa de los elementos que son típicos en esta área. Cada controlador programable contiene un máximo de memoria de aplicación, la cual varía dependiendo del tamaño del controlador. Los datos, constantes y variables, son almacenados en la sección de tablas de datos de la memoria de aplicación, mientras que las instrucciones y lógica de control son almacenadas en la sección de programa de usuario.



Sección Tabla de Datos. La sección de tabla de datos de la memoria del PLC, está compuesta de varias áreas, estas son:

� Tabla de Entradas � Tabla de Salidas � Área de Almacenamiento

Estas áreas contienen información en formato binario representando el estado de entradas y salidas, números, y códigos. Enseguida una explicación de cada una de las tres áreas de la tabla de datos. Tabla de Entradas. La tabla de entradas es un arreglo de bits que almacena el estado de las entradas digitales conectadas al PLC, a través de las interfases de entrada. El número máximo de bits en la tabla de entradas, es igual al número máximo de puntos de entrada digital que pueden conectarse al PLC. Cuando el PLC se encuentra funcionando, el procesador leerá el estado de cada uno de los puntos de entrada conectados a las tarjetas de entrada digital, y colocará su valor actual (‘1’ o ‘0’) en la localidad de memoria correspondiente de la tabla de entrada, vea la figura 2.10. La tabla de entradas constantemente está cambiando reflejando los cambios en los módulos de entrada y sus dispositivos de campo que están conectados a ellos. Los cambios en la tabla de entradas se realizan en la etapa de lectura del ciclo de actualización de entradas y salidas.

Figura 2.9. Mapa de la Memoria de Aplicación



Tabla de salidas. La tabla de salidas es un arreglo de bits que controla el estado de los dispositivos de salida digital que son conectados al PLC, a través de las interfases de salida. El máximo número de bits disponibles de la tabla de salidas es igual al máximo número de dispositivos de campo que pueden hacer interfase con el PLC. La figura 2.11, muestra la relación entre la tabla de salidas y los módulos de salida digital.

Figura 2.10. Limit Switch Conectado a un Bit de la Tabla de Entradas

Figura 2.11. Dispositivo de Campo Conectado a un Bit de la Tabla de Salidas



Área de almacenamiento. Contiene el estado de los bits internos que son referidos a: salidas internas, bobinas internas, registros de uso general, valores acumulados, etc. Todas estas condiciones internas son evaluadas por la lógica del programa de control, en secuencias y/o operaciones de registros. Los bits internos, que pueden representar contactos abiertos o cerrados, son usados conjuntamente con otras condiciones internas o con puntos de entrada real, para formar secuencias o interlocks que entonces pueden cambiar el estado de una salida real o de otra condición interna. El área de almancenamiento de registros o palabras es usada para almacenar grupos de bits (bytes o words). Esta información se almacena en formato binario y representa cantidades o códigos. Las cantidades decimales se almacenan en su equivalente en formato binario. Si se trata de códigos, el patrón de bits corresponde al formato BCD o al código ASCII (un carácter por byte), vea la figura 2.12. Los valores almacenados en forma de registros o palabras, pueden representar también datos de entrada de ciertos dispositivos, tales como thumbwheel switches, entradas analógicas, salidas analógicas (dirigidas a controlar válvulas regulatorias, indicadores analógicos, referencia de velocidad a drives, etc.), salidas a indicadores de led de siete segmentos, y otro tipo de variables. Esta área también puede ser usada para almacenar constantes, tales como preset de timers y contadores, resultados de operaciones aritméticas, valores acumulados de contadores y timers, etc. La tabla 2.1, muestra algunos usos que son típicos en esta área.

Figura 2.12. Registros del Área de Almacenamiento de la Tabla de Datos

Tabla 2.1. Constantes y Variables Almacenadas en Forma de Registros



Ejemplo. El mapa de memoria de aplicación de un PLC tiene la siguiente especificación:

� Memoria total de aplicación de 4K words con 16 bits por palabra � Capacidad para conectar 256 dispostivos externos (128 entradas y 128 salidas) � Disponibilidad de 128 salidas internas � Capacidad de 256 registros de almacenamiento, seleccionables en grupos de 8 palabras

(32 grupos de 8 registros c/u) � Sistema de numeración octal (base 8), con dos bytes de longitud de palabra

Asumiendo que las entradas son el primer elemento del mapa de entradas/salidas, la tabla de entradas iniciará en la dirección 00008 y el final se ubicará en la dirección 00078 (vea la figura 2.13). Las salidas iniciarán en la dirección 00108 y terminan en la dirección 00178 . Debido a que cada palabra de memoria tiene 16 bits, las 128 entradas requieren de 8 palabras de entrada, y de la misma forma para las 128 salidas. La dirección inicial para el área de salidas internas es 00208 y continúa hasta la dirección 00278 (ocho palabras, de 16 bits cada una, totalizan 128 bits de salida interna). La dirección 00308 indica el inicio del área de registros de almacenamiento. Esta área deberá tener un mínimo de 8 registros, pudiendo llegar a contener un máximo de 256 registros, en incrementos de 8 registros. Los primeros 8 registros requeridos, terminarán en la dirección 00378. El siguiente incremento de 8 registros iniciará en la dirección 00408, donde la última dirección posible es 04278, proporcionando un total de 256 registros (ver figura 2.14). Si se llegara a utilizar todo el espacio disponible en el área de registros de almacenamiento, entonces la dirección inicial para almacenar la lógica e instrucciones del programa de control sería 04308. Esta configuración dejaría 3816 (decimal) localidades para almacenar el software de control.

Figura 2.13. Tabla de Entradas, Salidas y Memoria de Usuario



La mayoría de los controladores permiten al usuario cambiar el número de registros dados de alta (ajustar la frontera de cada área), sin afectar la dirección de inicio del programa. Sin embargo, el usuario debe conocer el número máximo de registros necesarios para cierta aplicación. Esto será de gran ayuda cuando se asignan direcciones de registros en el programa.

El tamaño de la memoria de aplicación está especificado en términos de kilos, donde cada kilo corresponde a 1024 localidades de almacenamiento. La figura 2.15, ilustra dos arreglos de memoria cada uno de ellos de 4K (4096 localidades), sin embargo, los dos tienen diferentes configuraciones; el primero usa palabras de 8 bits (1 byte), y el segundo usa palabras de 16 bits (palabras de 2 bytes).

Cuando la capacidad de memoria del PLC se expresa en kilos, se debe entender solamente como una indicación del número total de localidades de almacenamiento. El conocer el número máximo de localidades no es suficiente, para determinar los requerimientos de memoria. Se requiere información adicional concerniente a como se almacenan las instrucciones. El término ‘utilización de memoria’ se refiere a la cantidad de datos que pueden ser almacenados en una localidad o, más específicamente, el número de localidades de memoria requeridas para almacenar cada tipo de instrucción. El fabricante del PLC puede suministrar estos datos en caso de que en la literatura del producto no venga contenida.

Figura 2.14. Área de Registros de Almacenamiento Mostrando Grupos de 8 Bits.

Figura 2.15. a) Arreglo de Memoria de 4K X 8 Bits, b) Arreglo de Memoria de 4K X 16 Bits



3. Diagramas de Lógica y Simbología de Lógica de Contactos

En las aplicaciones de PLC’s, no todos los elementos que participan en la lógica, se encuentran programados y configurados como parte del programa que se ejecuta en el procesador del PLC. Cuando hablamos de ‘lógica cableada’, nos referimos a todas aquellas funciones lógicas (temporización, secuencia y control), que son determinadas por la forma en como los dispositivos externos al PLC son interconectados. En ciertas aplicaciones, por razones de seguridad, algunas de las funciones de control secuencial y/o lógico permanecen como lógica cableada y los puntos de entrada/salida del PLC pueden interconectarse con esta lógica. Cuando el PLC se encuentra funcionando correctamente, el control se realiza a partir de la ejecución del programa en el PLC, cuando este llega a fallar, el operario puede realizar algunas funciones elementales que permanecerán activas, ya que dependen de la lógica cableada. Ya sea por seguridad, o por que se necesite eliminar parte de la lógica cableada para convertirla a un programa de escalera en el PLC, el ingeniero de control, debe conocer e identificar los diagramas de conexiones hardware, tal como el que se muestra en la figura 3.1.

Figura 3.1. Circuito de Lógica de Relevadores Cableado



3.1. Simbología de Lógica de Contactos La programación en forma de diagramas de escalera, es el tipo de programación más convencional, podríamos decir que las tres funciones de lógica básica más utilizadas son AND, OR y NOT. Pero existen muchas otras de mayor complejidad que están disponibles como parte del sistema operativo del procesador del PLC y que nos permiten implementar funciones de control no solo secuencial, sino también de control regulatorio. En su momento, se analizarán aplicaciones de este tipo, en diferentes marcas de PLC’s. La programación en escalera se puede comprender a partir de la llamada ‘simbología de contactos’, que mantiene una relación estrecha con la simbología de los diagramas de relevación.

Figura 3.2. Implementación del Diagrama de Escalera del PLC a partir del

Diagrama de Relevación de la Figura 3.1.



Si el lenguaje de programación que vamos a utilizar en el PLC es diagrama de escalera, en un solo paso se puede realizar la conversión del diagrama de lógica de relevación, al diagrama de lógica de contactos. El programa completo del PLC consiste de varios renglones, cada renglón puede controlar una salida a un dispositivo de campo (solenoide, posicionador, contactor de arranque, etc). Cada renglón es una combinación de condiciones de entrada, conectadas de izquierda a derecha entre dos líneas verticales, que representan el suministro de energía.

Los símbolos que representan las entradas se conectan en serie, en paralelo, o en alguna combinación para obtener la lógica deseada. Estos símbolos representan los dispositivos de campo (push button, switch selector, limit switch, proximity switch, timer contact, etc) conectados a las tarjetas de entrada del PLC. Cuando el diagrama de escalera está completo consistirá de varios renglones (rungs), en donde se encontrarán puntos de entrada acomodados en una lógica predeterminada para cumplir con un objetivo de control; las salidas o bobinas en la lógica de contactos representan las salidas físicas del PLC (pilot light, solenoid valve, horn, control relay, motor starter, etc) que envían potencia a elementos de campo y se traducen en una acción.

3.2. Direccionamiento en el PLC Cada símbolo en un renglón tendrá un número de referencia, el cual representa una dirección de memoria en el procesador del PLC; para las entradas y salidas digitales consistirá de un bit, en caso de valores analógicos, se necesitara agrupar 8, 16 o 32 bits en forma de un byte, word o double word. Esta es la dirección lógica del cada dispositivo conectado al PLC, el procesador mantiene una referencia constante entre el estado de cada punto de entrada/salida y el contenido en memoria del procesador.

Figura 3.3. a) Renglón o Escalón Correspondiente a la Lógica de Relevación,

b) Renglón Equivalente en Lógica de Contactos en el PLC



La figura 3.4, muestra un renglón de lógica cableada y su equivalente en la configuración de entradas/salidas y programación de lógica en el PLC. A lo largo del programa la dirección en memoria, que representa a cada uno de los dispositivos de campo, puede ser usada en repetidas ocasiones. Este simple hecho es una ventaja potencial con respecto a los sistemas de lógica de relevadores. El uso de una referencia a lo largo del programa puede asignarse a contactos NO, NC o bobinas de salida; figura 3.5 muestra un ejemplo.

Los contactos del controlador programable y los contactos de la lógica de relevación operan en forma muy similar. En la figura 3.5, se puede observar que cuando LSI está cerrado fluye energía a la entrada 20 y esta pasa a estado verdadero, en el renglón 1 de la lógica de escalera, el contacto NO estará cerrado permitiendo el flujo de energía, mientras que el contacto NC del segundo renglón estará abierto interrumpiendo el flujo de energía.

Figura 3.4. Circuito de Lógica de Relevación y su Equivalente en el PLC

Figura 3.5. Entrada 20 Representada como Múltiples Contactos en el Programa del PLC



4. Bastidores de Entradas/Salidas y Tablas de Mapeo Los puntos de entrada y salida digital asignados a un PLC, se agrupan en módulos de 8, 16 o 32 puntos, los cuales contienen los circuitos de comunicación con el PLC y los dispositivos de campo. Los módulos de entrada/salida pueden ser colocados o insertados en un bastidor, usualmente referido como rack; este último mantiene comunicación con el cpu del PLC y usualmente contiene sus propios medios de suministro de potencia, vea la figura 4.1.

El rack o bastidor retiene y organiza los módulos de e/s del controlador programable permitiendo la asignación de una dirección en el mapa de entradas/salidas. La dirección de e/s es un número único que identifica el dispositivo de entrada/salida durante la configuración y ejecución del programa. En algunos casos el fabricante del PLC permite al usuario seleccionar o ajustar la dirección de cada módulo, mediante el ajuste de interruptores deslizables sobre el bastidor o cada módulo de entrada/salida. Un rack en general, reconoce el tipo de módulo conectado a este (entrada o salida) y la clase de interfase (discreta, analógica, numérica, etc). Este reconocimiento se decodifica en el ‘back plane’ (placa de circuito impreso que contiene el bus de datos, bus de potencia y los conectores de acoplamiento) del bastidor. La configuración del bastidor del controlador es un detalle importante que debe mantenerse en mente a través de la configuración del sistema. Recuerde que cada uno de los dispositivos de e/s conectados al bastidor, está referenciado en el la lógica del programa de control; por tanto, un mal entendimiento o equivocación en la dirección de entrada/salida provocará confusión durante y después de la etapa de programación. Hablando en forma general, existen tres categorías de bastidores:

� Bastidor Maestro � Bastidor Local � Bastidor Remoto

Figura 4.1. Ejemplo de Bastidores de Entradas/Salidas



El término bastidor maestro (master rack), se refiere al bastidor que contiene al cpu o módulo de procesamiento. Este rack puede o no tener ranuras (slots) disponibles para la inserción de módulos de entrada/salida. Entre más grande es el sistema del controlador programable, en términos de cantidad de entradas/salidas, es menos común que el rack maestro de cabida a módulos de entrada/salida. Ver figura 4.2.

Un bastidor local , ver figura 4.3, es un bastidor que se ubica en la misma área que el bastidor maestro, y que contiene módulos de entrada/salida. Si el bastidor maestro contiene módulos de entrada/salida, puede entonces considerarse como un bastidor local. En general, un bastidor local contiene un procesador de entradas y salidas que permite el envío y recepción de datos al procesador central o cpu del PLC. Esta información bidireccional consiste de datos de diagnostico, verificación de errores de comunicación, estado de puntos de entrada, y actualización de puntos de salida. En la tabla de entradas/salidas que mantiene una imagen del rack local en términos de sus direcciones de entrada/salida.

Como su nombre lo indica, el bastidor remoto , ver figura 4.4, es un rack que contiene módulos de entrada/salida, pero está localizado en un punto distante con respecto al procesador central. Los bastidores remotos contienen un procesador de entradas/salidas (referido como procesador remoto de entradas/salidas) que comunica el estado de los puntos de entrada, actualiza estados de salida y envía información de diagnósticos locales al procesador central. Las direcciones de entrada/salida asignadas a este tipo de racks, mantienen una imagen en la tabla de entradas/salidas del procesador central.

Figura 4.2. Racks Maestros a) Sin Módulos Adicionales de E/S, b) Con Módulos de E/S

Figura 4.3. Configuración del Bastidor Local



El concepto de rack enfatiza la localización física del aparato y el tipo de procesador (local, remoto o cpu principal), que deberá usarse en cada bastidor particular. Cada uno de los módulos de entrada/salida en el rack, ya sea discreto, analógico o especial, tiene una única dirección a la cual se hace referencia. Por tanto, cada punto terminal conectado al módulo tiene una dirección particular. Esta es la dirección que identifica al punto programado como dispositivo de entrada o salida en el programa de control. Ejemplo. Configuración de un rack de entrada/salida y tabla de mapeo. Las siguientes especificaciones son emitidas por el fabricante del PLC como reglas de configuración de sus bastidores de entrada/salida:

� Puede haber un máximo de 7 racks de entradas/salidas; el primero (rack 0) es el rack maestro. Los racks 1 a 7 pueden ser racks locales o remotos. Cada rack contiene 7 ranuras (slots) disponibles para la colocación de módulos de e/s.

� Los módulos de entradas/salidas discretas están disponibles en 4 o 8 puntos de conexión por módulo. La capacidad máxima de entrada/salida es de 512 puntos.

� La tabla imagen de entrada/salida tiene un ancho de 8 bits. � Se usa el sistema de numeración octal. � El tipo de módulo, de entrada o salida, es detectado por el back plane del bastidor. Si el

módulo es de entrada, se coloca un I al inicio de tres dígitos que forman la dirección. Si el módulo es de salida, se coloca un O al inicio de tres dígitos que forman la dirección, ver la figura 4.5.

Figura 4.4. Configuración de Racks Remotos



Como se muestra en la figura 4.6, diversos factores determinan la localidad de memoria de cada módulo. El tipo de módulo, entrada o salida, determina la primera asignación en la formación de la dirección, visto de izquierda a derecha (‘0’ para salidas, ‘1’ para entradas). Los siguientes dos números están determinados por número del rack y la ranura o slot que ocupa el módulo de entrada/salida. El punto terminal de conexión sobre el módulo (0 a 7), representa el último dígito en la dirección. La capacidad máxima del sistema es de 512 entradas o 512 salidas, o una combinación total de 512 entradas y salidas, sin repetir dirección. Las 512 entradas podrían ocupar las siguientes direcciones:

Figura 4.5. Recomendaciones de Configuración de E/S

Figura 4.6. Ejemplo Ilustrativo de la Configuración de un Rack de E/S



Mientras que las posibles 512 salidas podrían ocupar las siguientes direcciones: De nueva cuenta, observe que la capacidad total es de 512 puntos de entradas y salidas en conjunto, no 512 de cada tipo. Si un módulo de entradas ocupa un slot en la tabla de entradas, así mismo ocupará la imagen espejo en la tabla de salidas (no se repite la dirección que ocupa el módulo de entradas en la tabla de salidas). Lo mismo ocurre para un módulo de salidas.

Figura 4.7. a) Tabla de E/S, b) Dos Módulos de 4 Puntos en un Slot, y

c) Asignación de Memoria en la Tabla de E/S



Por ejemplo (ver la figura 4.7), si un módulo de salidas de 4 puntos, figura 4.7b, se coloca en el rack 0, slot 0, se ocuparán los bits 0 a 3 de la palabra 0008 en la tabla de salidas, representado por área sombreada en la figura 4.7c. Como consecuencia de esto en la tabla de entradas la palabra 1008 , bits 0 a 3, aparecerá como ocupada (representada por la palabra taken) y no podrá asignarse a ningún módulo de entradas. Si un módulo de entradas de 8 puntos se coloca en el rack 0, slot 2 (vea la figura 4.7a), ocupará los 8 bits disponibles (bits 0 a 7) de la palabra 1028 en la tabla de entradas; la direcciones correspondientes 0028 , bits 0 a 7, de la tabla de salidas no podrán ser ocupados (figura 4.7c). Los bits de la tabla de salidas que no pueden ser asignados a ningún módulo de salidas, pueden ser usados como salidas internas, debido a que no están físicamente conectados a ningún dispositivo de campo (por ejempo los 0 a 7 de la palabra 0008 ). Por ejemplo, en la figura 4.7c, las direcciones de salida 0004 a 0007 (correspondientes a la palabra 000, bits 4 a 7, de la tabla de salidas), no pueden ser físicamente conectados a un módulo de salidas debido a que sus localidades están tomadas por el módulo de entradas (palabra 100, bits 4 a 7). Por lo tanto, estas referencias a direcciones de salida solo pueden ser usadas como bobinas internas. La utilización de estos bits de salida como bobinas internas se muestra en la figura 4.8, donde la salida 0004 se activará y sus contactos derivados pueden ser usados en otros renglones de la lógica.

4.1. Entradas y Salidas Remotas En las aplicaciones grandes de PLCs, con cantidades de entradas/salidas superiores a los 512 puntos, el subsistema de entradas/salidas se localiza necesariamente en un punto remoto con respecto al procesador central. El sistema de entradas/salidas remoto incluye su propia fuente de suministro y el procesador de entradas/salidas o adaptador remoto que permite la comunicación con el procesador principal. La comunicación entre los módulos adaptadores remotos y el procesador central se realiza en formato serial a velocidades por arriba de varios megabaudios (millones de bits por segundo). La capacidad de un rack remoto es normalmente de 32, 64, 128 o 256 puntos de entrada/salida. Un sistema grande con una capacidad máxima de 1024 puntos de entrada/salida podría tener subsistemas de entradas/salidas remotos de 64 o 128 puntos (ocho racks con 128 puntos). En el pasado solamente era posible colocar módulos de entrada/salida discreta en un rack remoto. Actualmente se pueden incluir tarjetas analógicas y tarjetas especiales tales como módulos de interfase. Los bastidores remotos normalmente se conectan al bastidor maestro vía mediante cable de comunicación tipo par torcido (twisted-pair), o con cable coaxial, en configuraciones que pueden

Figura 4.8. Salida 00048 Usada como Bobina Interna



ser margarita (daisy-chain), o multidrop, vea la figura 4.9. La distancia a la que un bastidor remoto se puede colocar, con respecto al bastidor maestro, varía entre los diferentes productos, pero puede ser tan lejano como 3 mil metros. Otra opción para conectar los bastidores remotos es usar enlaces de fibra óptica, que permite incrementar las distancias y ofrece adicionalmente inmunidad al ruido eléctrico.

Mediante el uso de bastidores remotos se puede obtener tremendos ahorros de materiales, y trabajos de instalación en sistemas grandes donde los dispositivos de campo se encuentran ubicados en grupos definidos, pero en puntos distantes. Con el bastidor central ubicado en el cuarto de control o en otro punto centralizado, solamente necesitamos tender el cable de comunicación entre el CPU principal y los bastidores remotos, y reemplazamos cientos de cables de señales de campo. Otra ventaja de los bastidores remotos es que pueden ser instalados y habilitados en forma independiente, permitiendo realizar mantenimientos en forma individual mientras que otros bastidores continúan en servicio. Igualmente, el diagnóstico de fallas y la verificación de conexiones se realizan mucho más fáciles, ya que no necesitamos revisar cientos de cables que envían señales al rack maestro.

Figura 4.9. Configuración de Conexión de Racks Remotos, a) Daisy-chain,

b) Estrella, y c) Multidrop



5. Entradas y Salidas Discretas

5.1. Introducción a los Sistemas de Entradas/Salidas Discretas El subsistema de entradas y salidas discretas proporciona la conexión física entre la unidad central de procesamiento y los dispositivos de campo que transmiten y aceptan señales digitales, vea la figura 5.1. Las señales digitales son señales discontinuas que contienen solo dos estados: ON y OFF.

En la actualidad, los controladores programables cuentan con una gama muy amplia de módulos discretos así como analógicos, lo cual permite al PLC ser aplicado a casi cualquier tipo de control.

5.2. Módulos de Entradas Discretas Los módulos de entradas discretas, reciben alimentación del back plane del bastidor donde están insertados. Las señales que estos módulos reciben del elemento de campo pueden ser de diferentes tipos y magnitudes (ejemplo 127 VAC, 12 VDC). Por esta razón, los módulos de entrada discreta están disponibles en diferentes rangos de AC y DC. La tabla 5.1, lista las capacidades estándar para estos módulos. Para aplicar apropiadamente esté tipo de módulos, se debe entender como ellos operan y se debe ser cuidadoso de las especificaciones operativas de cada tarjeta.

Figura 5.1. Diagrama de Bloques de cpu del PLC y el Sistema de Entradas/Salidas

Tabla 5.1. Capacidades Estándar de Módulos de Entradas Discretas



5.2.1. Entradas de AC/DC La figura 5.2 muestra el diagrama de bloques de un módulo típico de entrada AC/DC. El circuito de entrada varía ampliamente entre los diferentes fabricantes, pero en general, este tipo de módulos operan de manera muy similar al circuito del diagrama. El circuito de entrada consta de dos partes principales:

� Sección de Potencia � Sección de Lógica

estas secciones normalmente, pero no siempre, están acopladas a través de un circuito que permite aislamiento eléctrico.

La sección de potencia convierte el voltaje de entrada de AC proveniente de algún dispositivo sensor de campo, tales como los que se describen en la tabla 5.2, a un voltaje de DC, a un nivel de voltaje que el procesador puede reconocer durante el scan de las entradas. La señal de corriente directa pasa a través del circuito de filtro, que elimina entre otras cosas los rebotes (bouncing) y el ruido eléctrico. El filtrado causa un retraso en la señal de 9 a 25 milisegundos. El circuito detector de nivel (threshold circuit), detecta si la señal de entrada ha alcanzado el nivel de voltaje especificado para este módulo de entrada. Si la señal de entrada excede y se mantiene por arriba del nivel reconocido por la tarjeta, entonces se considera una señal válida.

Figura 5.2. Diagrama de Bloques de un Módulo de Entradas de AC/DC

Tabla 5.2. Dispositivos que Generan Señales Discretas



La mayoría de los módulos de entrada de AC/DC incluyen un LED en la parte frontal que indica si la señal discreta ha alcanzado el nivel apropiado de voltaje. La figura 5.3, muestra el diagrama de conexiones (diagrama de hardware), de un módulo de entradas AC/DC.

5.3. Módulos de Salidas Discretas

Los módulos de salidas discretas reciben el voltaje y corriente eléctrica necesarios para su funcionamiento del back plane, en el bastidor donde están montados. Los dispositivos de campo con los que el módulo de salidas discretas hace interfase pueden diferir en función de sus requerimientos de voltaje; por tanto, se proveen diferentes tipos y magnitudes del voltaje de control. La tabla 5.3, ilustra algunos dispositivos de campo que reciben salidas discretas, mientras que en la tabla 5.4 se listan los rangos de salida estándar para los módulos de salidas discretas.

Figura 5.3. Conexiones para: a) Un Módulo de Entradas de AC, y

b) Un Módulo de Entradas de DC

Tabla 5.3. Dispositivos de Salida Tabla 5.4. Tipos y Voltajes de Típicos Salida Estándar



5.3.1. Salidas de AC Los circuitos de salida de AC, de manera similar a los circuitos de entrada, varían ampliamente entre los diferentes fabricantes, pero el diagrama de bloques mostrado en la figura 5.10 muestra su configuración más general. Se muestran las principales secciones del módulo de salidas digitales de AC, junto con su operación. El circuito consiste principalmente de las secciones de potencia y lógica, acopladas por un circuito de aislamiento eléctrico. Una interfase de salida puede ser pensada como un simple switch, tal como se muestra en la figura 5.11, a través del cual se puede proporcionar potencia de control al dispositivo de salida.

Durante la operación normal, el procesador central o maestro, envía el estado de las salidas, de acuerdo a la lógica del programa de control, al circuito de lógica de cada módulo de salidas. Si la salida debe ser energizada (reflejando la presencia de un ‘1’ en la tabla de salidas), la lógica del módulo de salidas memorizará (latch) el estado requerido y mantendrá en ‘1’ dicha salida. Se enviará una señal ON a través del circuito de aislamiento, que en su caso, conmutará el voltaje que se envía al dispositivo de campo a través de la sección de potencia. Esta condición permanecerá tanto tiempo como en la tabla de salidas, el bit correspondiente a este punto permanezca en ‘1’. Cuando en la lógica cambia el estado del bit a ‘0’, se envía una señal OFF al módulo de salidas, el ‘1’ que había sido memorizado paso a ‘0’ y la señal OFF pasa a través del circuito de aislamiento para eliminar el voltaje al dispositivo de campo.

Figura 5.10. Diagrama a Bloques del Módulo de Salidas Discretas de AC

Figura 5.11. Analogía entre la Interfase de Salida y la Operación de un Switch



Si el circuito no incluye un fusible en el propio módulo, el usuario puede incluir uno en el montaje de las clemas de conexión y su capacidad interruptiva debe apegarse a las recomendaciones del fabricante. Igual que los módulos de entradas discretas, el módulo de salidas discretas puede incluir LED’s frontales para indicar el estado lógico del circuito de salidas; si el circuito contiene un fusible, es posible incluir indicadores del estado del fusible. La figura 5.12, muestra el diagrama de conexiones de un módulo de salidas de AC. Observe que la potencia procedente de campo (L1) suministra el voltaje que el módulo necesita para activar los dispositivos de campo.

Figura 5.12. Diagrama de Conexiones del Módulo de

Salidas Discretas de AC



6. Entradas y Salidas Analógicas Aunque los subsistemas de entradas/salidas discretos son una invaluable herramienta para realizar control en los PLC’s, no se puede cubrir con ellos todas las demandas de las nuevas aplicaciones. Debido a que los sistemas analógicos pueden interpretar señales continuas, se usan en aplicaciones tales como procesos batch y control de temperatura, donde el simple control de dos estados es insuficiente.

6.1. Introducción a los Datos de Entrada Analógicos Los módulos de entradas analógicas son usados en aquellas aplicaciones donde el dispositivo de campo genera una señal continua (ver figura 6.1). A diferencia de la señales discretas, que poseen solo dos estados (ON y OFF), las señales analógicas tienen un número infinito de estados. La temperatura, por ejemplo, es una señal analógica debido a que esta cambia de manera continua por cantidades infinitesimales. En consecuencia, un cambio desde 70° a 71° no es solamente un cambio de un grado, en realidad se trató de un numero infinito de pequeños cambios de una fracción de un grado. Los PLCs al igual que otras computadoras, son sistemas discretos que solo entienden unos y ceros. Por tanto, no pueden interpretar las señales analógicas y su forma continua. Las interfases analógicas convierten las señales analógicas a valores discretos que pueden entonces ser interpretados por el procesador del PLC. Estos valores discretos son usados posteriormente en la lógica del programa de control. La tabla 6.1, lista algunos dispositivos de campo que normalmente hacer interfase con los módulos de entradas analógicas. La figura 6.2, muestra la secuencia de eventos que ocurre mientras se realiza la lectura de una señal de entrada analógica. El módulo de entrada transforma la señal analógica a la forma digital, usando un convertidor de analógico a digital (A/D), la información queda almacenada en el registro 1000, en un formato de 12 bits. Después de que el PLC lee esta información, el programa de control puede hacer referencia a ella directamente en el registro de entradas, para realizar comparaciones, cálculos aritméticos, etc. El valor analógico almacenado en el registro, puede estar en formato BCD o binario. A continuación la lista de pasos:

Figura 6.1. Representación de una Señal Analógica Continua



a) El transductor detecta la señal de temperatura del proceso. b) El transductor transforma la señal de temperatura en una señal eléctrica que puede ser

reconocida por el módulo de entradas analógicas. c) La señal analógica de entrada se convierte a una señal digital de 12 bits en forma

proporcional a la señal eléctrica de entrada.

d) Una instrucción de transferencia (block transfer), u otra instrucción para manejo de

entradas analógicas, realiza la transferencia del registro binario al área de entradas del procesador central del PLC.

e) El PLC almacena el valor digital de 12 bits en una localidad de memoria para su uso futuro.

En la actualidad están disponibles muchos tipos de transductores, por tanto, los módulos de entrada digital tienen diversos rangos de entrada estándar. La tabla 6.2, muestra algunos rangos de entrada, tanto de corriente como de voltaje. Observe que las interfases analógicas pueden ser monopolares (solamente voltaje positivo, ejemplo 0 a +5 VCD) o bipolares (voltajes positivos y negativos, ejemplo -5 a +5 VCD).

Tabla 6.1. Dispositivos de Campo Usados con Módulos de

Entrada Analógica

Figura 6.2. Pasos para Realizar la Conversión de una

Señal Analógica o Formato Binario.



6.2. Representación de Datos de Entrada Analógicos Se usa un convertidor analógico a digital para transferir el valor analógico a una palabra en formato digital, la cual puede ser entendida y manipulada por el procesador. El formato de dicha palabra varía de acuerdo con el formato del PLC que la está usando; sin embargo, los formatos más comunes son el binario y el BCD. En el formato BCD, el procesador debe realizar en cálculo lineal (adicional a la conversión), para generar un valor BCD válido. En la figura 6.3, se muestra la conversión A/D con resolución de 12 bits, la cual se divide en 4096 partes, en efecto la resolución indica en cuantas partes se divide un señal de entrada. Un número binario de 12 bits, contiene número en un rango que va de 0000 a 4095 en el equivalente decimal de la señal de entrada. En el caso, el fabricante podría usar los bits remanentes (bits 14 a 17), para monitorear el estatus del convertidor. Algunos PLCs también ofrecen la escalación directamente a unidades de ingeniería (por ejemplo 0 a 9999), como parte de la conversión de la señal de entrada. La tabla 6.3, ilustra la conversión de un valor de entrada en psi a unidades de ingeniería equivalentes. El módulo interpreta la señal de entrada que va de 0 a 500 psi, como un voltaje cuyo rango va de 0 a 10 VDC. Entonces convierte este voltaje a su valor equivalente en decimal. Un valor decimal de 0 corresponde a 0 psi, mientras que un valor decimal de 4095 corresponde a 500 psi.

Tabla 6.2. Rangos de Entrada Estándar para

Módulos de Entrada Analógica



El siguiente ejemplo ilustra como un convertidor A/D obtiene el valor equivalente de una señal analógica de entrada, procedente de un sensor de campo. Ejemplo. Un módulo de entradas analógicas tiene un convertidor A/D con una resolución de 12 bits (figura 6.4). Cuando la temperatura en el transductor recibe una señal en un rango válido (100 a 600°C), este proporciona vía un transmisor, una s eñal de salida de 1 a 5 VCD, compatible con el módulo de entradas analógicas.

Figura 6.3. Conversión Analógica-a-Digital con una Resolución de 12 Bits.

Tabla 6.3. Valores de Entrada en psi Convertidos a Valores

Equivalentes en Unidades de Ingeniería



a) Encuentre el cambio equivalente en el voltaje con respecto al cambio de temperatura y el número equivalente de cuentas por grado centígrado, asuma que el módulo de entrada transforma linealmente el valor analógico de 0 a 4095 cuentas.

b) Encuentre el mismo valor para un módulo con una resolución de 10 bits. Solución.

a) La relación entre temperatura, señal de voltaje y cuentas en el convertidor A/D es:

El cambio total en la escala de temperatura, en el voltaje y en las cuentas de: 500°C, 4 VDC y 4095 cuentas. Por tanto, la relación de cambio entre la temperatura y el voltaje es: El cambio en el voltaje para cada cuenta es: Por tanto, el cambio correspondiente en cuentas por grado centígrado es:

Figura 6.4. Módulo de Entradas Analógicas Conectado a un Sensor de Temperatura



b) Para un convertidor A/D con una resolución d 10 bits, podemos obtener una señal digitalizada con 1024 cuentas ( 210 = 1024 cuentas, de 0000 a 1023). La relación entre temperatura, señal de voltaje y cuentas es:

Los cambios totales en temperatura, voltaje y cuentas son: 500°C, 4 VDC y 1023 cuentas. El cambio en el voltaje con respecto a la temperatura es el mismo que en el inciso a) anterior, es decir: En cambio en el voltaje con respecto a las cuentas es: Entonces, el número correspondiente de cuentas por grado centígrado es: Ejemplo. Un transductor transmisor de temperatura (vea la figura 6.5), proporciona una señal de voltaje que es proporcional a la temperatura variable que está siendo medida. El rango de medición de temperatura va de 0 a 1000°C. El módulo de entrada s analógicas acepta una señal de 0 a 10 VDC unipolar, y la convierte a cuentas en un rango de 0 a 4095 cuentas. En el proceso donde esta señal está siendo medida requiere detectar un límite bajo ubicado a 100°C y un límite alto de 500°C.



a) Encuentre la relación (ecuación de la recta), entre la señal de temperatura de entrada y las cuentas obtenidas en la conversión.

b) El número equivalente de cuentas para cada uno de lo límites de temperatura especificados.

Solución.

a) La figura 6.6 muestra la relación entre las cuentas y la señal de entrada en voltios y grados centígrados. La línea Y describe la relación numérica entre la señal de entrada y el número de cuentas (asumiendo una relación lineal).

Para encontrar la relación entre temperatura y cuentas, encontremos la ecuación que representa en forma numérica la línea Y. Esta ecuación tomará la forma Y=mX+b, donde m es la pendiente de la línea y está descrita por:

Figura 6.5. Transmisor/Transductor de Temperatura Conectado a un

Módulo de Entradas Analógicas

Figura 6.6. Relación Entre Cuentas y Señal de Entrada



Donde Y1,Y2, X1 y X2 son puntos conocidos. El valor b representa el cruce la línea Y con el eje de la temperatura, cuando X, las cuentas, es igual a cero. Este valor puede ser calculado como: donde Y y X son valores conocidos (ejemplo 0°C y 0 cuentas). Cuando X está en cero cuentas, Y está en 0°C, por tanto: Sustituyendo m y b en la ecuación Y=mX+b, tenemos la ecuación de la línea Y.

b) En base a la ecuación de la línea Y, el número de cuentas para cada punto de alarma es:

Por tanto para los valores de 100°C y 500°C, los va lores correspondientes de X, son: Otra forma de resolver este problema es encontrar el número de cuentas por grado centígrado, un cambio de 1000°C por 4095 cuentas quedaría expre sado como 4.095 cuentas/°C; para la alarma baja tenemos: (100)(4.095)=409.5 cuentas, y para la alarma alta tenemos: (500)(4.095)=2047.5 cuentas.



6.3. Introducción a los Datos de Salida Analógicos Los módulos de salida analógica son usados en aplicaciones que requieren el control de dispositivos de campo que responden a señales continuas de voltaje o de corriente. Un ejemplo de este tipo de dispositivos es una válvula para ajustar el volumen de fluido que pasa a través de una tubería (figura 6.7). Este tipo de válvula, que es usada en un sistema de presión hidráulico, requiere de una señal de 0 a 10 VDC, para variar el volumen de aceite que presuriza unos cilindros. La tabla 6.4, muestra una lista de algunos dispositivos que reciben señales de salida analógica.

Existen instrucciones de salida analógica multibit que son similares a aquellas usadas con los módulos de salidas discretas, y son utilizadas para enviar datos analógicos a los dispositivos de campo. El controlador transfiere el contenido de un registro, generalmente especificado por 12 bits, al módulo de salidas una vez que es ejecutada la instrucción (figura 6.8).

Figura 6.7. Representación de una Válvula Controladora de Volumen

Tabla 6.4. Algunos Dispositivos de Campo que

Reciben Señales Analógicas



El módulo entonces, transfiere este valor, ya sea BCD o binario, de digital a analógico y lo pasa el dispositivo de campo. La figura 6.9, ilustra una instrucción multibit transfiriendo 12 bits de datos desde el registro 1000 a un módulo de salidas analógicas que está conectado a una válvula de control. Estos 12 bits de información, que son transferidos al dispositivo de campo para control, pueden ser el resultado o otros cálculos en el programa del PLC.

Ejemplo. La figura 6.10, ilustra la transferencia de información binaria a un módulo de salidas analógicas vía una instrucción multibit. Asuma que el módulo convierte una señal binaria con un valor de 0000 0000 0000 (cero decimal) a un valor analógico que hace que la válvula cierre completamente, mientras que convierte un valor de 1111 1111 1111 (4095 decimal) a una señal analógica que hace que la válvula abra completamente. ¿Cual será el estado de la válvula de acuerdo al contenido del registro 2000?

Figura 6.8. Conversión del Registro de Datos a una Señal Analógica

Figura 6.9. Pasos para la Conversión de un Valor Binario a una Señal Analógica



Solución. El valor almacenado en el registro 2000 es 000 001 1111, el cual es equivalente a 63 decimal. Entonces, la válvula abre aproximadamente 1.53% de la posición totalmente abierta (63/4095=1.53%). Observe que la posición de la válvula está determinada por el valor decimal equivalente al valor binario, no al número de 1s y 0s.

6.4. Representación de los Datos de Salida Analógicos De manera similar a las entradas analógicas, los módulos de salida analógica usualmente se conectan a dispositivos de control a través de transductores, ver figura 6.11. Estos transductores amplifican, reducen o cambian el voltaje de salida en una señal analógica que, a su vez, controla el dispositivo de salida. Dado que existen muchos tipos de dispositivos para controlar, los transductores están disponibles en diversos rangos de voltaje y corriente. La tabla 6.5, lista algunos de los rangos de salida estándar usados en las tarjetas de salida analógica.

Figura 6.10. Transferencia del Contenido de un Registro a un Módulo de Salidas Analógicas

Figura 6.11. Módulo de Salida Analógica Conectado a un Transductor



Los módulos de salida analógica funcionan de manera muy similar a los módulos de entrada analógica, solo que en este caso la dirección del dato se invierte. Como se mencionó anteriormente, el procesador del PLC solo entiende números en formato binario digital, por tanto el módulo de salidas analógicas tiene la responsabilidad de convertir este dato a una señal analógica que pueda ser entendida por los dispositivos de campo. La conversión del dato que ocurre en el módulo de salidas analógicas es exactamente opuesta a la transformación A/D del módulo de entradas analógicas (vea la figura 6.12). Un convertidor D/A, convierte un dato numérico (en formato BCD o binario), en una señal analógica. El valor analógico de salida es proporcional al valor numérico del dato binario recibido por el módulo. Entonces, el convertidor D/A convierte y crea una señal de salida analógica continua con una magnitud proporcional al mínimo y máximo de la capacidad de voltaje o corriente del dispositivo de campo que la recibirá (ejemplo 0 a 10 VDC).

Tabla 6.5. Rangos de Salida Analógica

Figura 6.12. Conversión D/A de un Valor Numérico Contenido en un

Registro del PLC



La resolución de la conversión D/A está definida en el número de bits que son usados para la conversión. Por ejemplo, un convertidor D/A con 12 bits de resolución crea una señal analógica con un rango que va de 0 a 4095 cuentas, y que es proporcional a un valor digital de 12 bits (212=4096). La tabla 6.6, muestra los valores de corriente, voltaje y psi de salida, para un convertidor D/A con una resolución de 12 bits.

Tabla 6.6. Valores de Salida para un Módulo de Salidas Analógicas con una Resolución de 12 Bits



7. Bibliografía PROGRAMABLE CONTROLLERS THEORY AND IMPLEMENTATION SECOND EDITION L.A. Bryan E.A. Bryan

Documents

Curso Basico de PLC.pdf