Definición

Un controlador programable, antes conocido como un controlador lógico programable,o CPL (en inglés, PLC), puede definirse como un miembro compacto de la familia de los computadores.

Es capaz de almacenar órdenes o instrucciones para implementar funciones de control como determinación de secuencias, de tiempo, contabilidad, aritmética, manipulación de información y comunicación, para controlar máquinas industriales y procesos.

Diagrama Conceptual de un PLC.

Antecedentes Históricos

Los criterios de diseño para el primer controlador programable, se especificaron en 1968 por la división Hidramatic de la General Motors Corporation. Su objetivo primordial era reducir el alto costo relacionado con sistemas inflexibles, controlados por relays.

Historia.1968 - Desarrollo del diseño de PLCs por la General Motors Corporation, para reducir el costo de ensamblaje durante períodos de renovación de modelos.1969 – Los primeros PLCs fueron fabricados por la industria automotriz como equivalentes electrónicos de los relays.1971 – Primera aplicación de los PLCs fuera de la industria automotriz.1973 – Introducción de PLCs “inteligentes”, para operaciones aritméticas, control de impresión, transferencia de información, operaciones de matriz, Inter.-fase CRT, etc.1975 – Introducción de un control análogo PID, que permitió el acceso a thermocouples (acoples térmicos), sensores de presión, etc.1976 – El primer uso de los PLCs en configuraciones jerárquicas

1979 – Integración de las operaciones en una planta a través de un sistema de comunicación PLC.1980 – Introducción de módulos inteligentes de input y output (entrada y salida), parapermitir un control preciso y de alta velocidad en aplicaciones de posición.1981 – Las autopistas de la información les permiten a los usuarios, mantener los PLCs interconectados a distancias de hasta de 15,000 pies uno del otro. Existen mayor cantidad de PLCs de 16 bit. CRTs de color gráfico son ofertados por varios proveedores.1982 – Disponibilidad en el Mercado de PLCs más grandes, con hasta 8192 I/O (entradas / salidas).1983 – Aparición de pórticos adicionales, incluyendo CRTs gráficos, interfaces del operador, redes “inteligentes” de I/O, presentaciones en el panel, y paquetes de documentación.

Principios Operativos.

Un controlador programable está compuesto principalmente por dos secciones básicas: the Central Processing Unit (CPU) – la Unidad de Procesamiento Central – y el Sistema de Interfase Input/Output (I/O) – Entrada/Salida.

La sección del CPU de un PLC está constituido por tres componentes esenciales: el procesador, el sistema de memoria, y la fuente de energía del sistema.

Diagrama de los componentes principales del CPU del PLC

Áreas Típicas de Aplicaciones de los PLCs.Desde su concepción, el controlador programable ha sido aplicado exitosamente en prácticamente todas las ramas de la industria, incluyendo las fábricas de acero, las plantas de producción de papel y de pulpa, plantas de procesamiento de alimentos, plantas químicas y petroquímicas, y plantas automotrices y energéticas. Los PLCs realizan una gran variedad de funciones de control, que van desde un control repetitivo de encendido/apagado de una simple máquina, hasta un control sofisticado de fabricación y de procesos.

Química / Petroquímica:

Alguno ejemplos son Procesamiento de lotes, Manejo de Materiales, Pesaje, Mezclas, Control de Oleoductos, Perforación Mar Adentro.

Fabricación y Maquinaria:

Ejemplos de aplicación: Demanda de Energía, Transportadores de Materiales, Máquinas de Ensamblaje, Mezclar, Triturar, Perforar, Soldadura.

Minería: Algunos ejemplos: Transportadores de Material a Granel, Procesamiento de Minerales, Carga o Descarga, Manejo de Agua/Desechos.

Tamaños de PLC y Alcance de Aplicaciones

Existen controladores programables de todas las formas y tamaños imaginables, y que cubren un amplio alcance de capacidades.

Micro PLCsLos Micro PLCs se utilizan en aplicaciones que requieren, en términos generales, del control de algunos dispositivos I/O discretos, como controles de pequeñas cintas transportadoras. Algunos Micro PLCs pueden manejar algún tipo de I/O análoga para propósitos de monitorización (por ejemplo, una temperatura predeterminada, o activación de una salida).Sus características estándar son:Hasta 32 I/OProcesador de 8/bitReemplaza principalmente a los relaysMemoria hasta de 1KI/O DigitalesI/Os incorporados en una unidad compactaCronómetros y Contadores

Generalmente programado con una programador manual.

Pequeños PLCsEstos pequeños controladores se utilizan usualmente en aplicaciones que requieren desecuencia lógica y de funciones de tiempo, para un contro On/Off Encendido/Apagado).Los Micro-controladores y los pequeños PLCs son utilizados ampliamente para el control individual de pequeñas máquinas.Estandares:Hasta 128 I/OProcesador de 8 bitReemplaza principalmente a los RelaysMemoria de hasta 2KI/O DigitalI/O localLenguaje Ladder o Boolean únicamenteCronómetros, Contadores, y Registros de TurnoControl Master de los Relays (Master Control Relays-MCR)Cronómetros o SecuenciadoresGeneralmente programado por un programador manual.

PLCs MedianosLos PLCs medianos se utilizan cuando se requiere más de 128 I/O, control análogo, manipulación de información, y capacidades aritméticas. Generalmente, estos controladores se caracterizan por la presencia por aditamentos de hardware y software más flexibles que los exhibidos anteriormente.Características:

Hasta 1024 I/OProcesador de 8 bitReemplazo de Relay y de control análogoMemoria típica hasta de 4K. Expandible a 8 KI/O DigitalI/O AnálogoI/O Local y RemotoIdioma LadderBloqueo funcional/lenguaje de alto nivelMCRsJumpCronómetros o SecuenciadoresCapacidades AritméticasSumaRestaMultiplicaciónDivisión

Manejo Limitado de InformaciónMódulos I/O de funciones especiales

Grandes PLCsLos controladores grandes se utilizan en funciones de control más complejas que requieren de una extensa manipulación de la información, adquisición de información y realización de informes. Sus innovaciones de software permiten que estos productos realicen exitosamente estas computaciones numéricas más complejas.Características básicas:Hasta 208 I/OProcesador de 8 ó 16 bitReemplazo de relay y control análogoMemoria típica hasta de 12K y Expandible hasta 32KI/O DigitalI/O AnálogoI/O Local y RemotoIdioma LadderBloqueo funcional y lenguaje de alto nivelSub-rutinas, interrupcionesCronómetros o SecuenciadoresMódulos I/O de funciones especialesMódulos PID o software PID del sistemaCapacidades AritméticasSumaRestaMultiplicaciónDivisiónRaíz cuadradaManejo Extenso de InformaciónCompararConversión de InformaciónTransferir/Registrar/ArchivarFunciones de matrizTransferencia en bloqueTablas BinariasMódulos de comunicación del computador huésped.

PLCs Muy GrandesLos PLCs Muy Grandes, son utilizados en aplicaciones de control y de adquisición de datos sofisticadas, en las cuales se requiere de una grande memoria y de una gran capacidad I/O. En este caso, las interfases especiales y remotas de I/O, también constituyen un requerimiento estándar. Las áreas típicas de aplicación de estas unidades, son las fábricas de acero y las refinerías. Estos PLCs, usualmente sirven como controladores de supervisión en grandes aplicaciones de control distribuidas.Las características estadar son:

Hasta 8192 I/OProcesador o Multi-Procesadores de 16 bit o32 bitReemplazo de los relays y de control análogosMemoria típica de hasta 64K palabrasExtensible hasta 1 MegI/O DigitalI/O AnálogoI/O Análogo RemotoMódulos remotos especialesI/O local y remotoLenguaje Ladder o BooleanBloqueo funcional/alto nivel de lenguajeSub- rutinas, interrupcionesCronómetros o SecuenciadoresMódulos I/O de funciones especialesMódulos PID O o software PID del sistemaRedes de Areas Locales (Local Area Networks - LANs)Módulos de comunicación del computador huésped

Capacidades AritméticasSumaRestaMultiplicaciónDivisiónRaíz cuadradaDoble precisiónPunto de flotaciónFunciones de cosenoPoderosa Capacidad de Manejo de InformaciónCompararConversión de informaciónTransferir/registrar/archivarTransferencia en bloqueTablas binariasDiagnóstico de máquinas

Ladder Diagrams (Diagramas en Escalera) y el PLC

El diagrama en escalera ha sido, y hasta cierto punto, continuará siendo la manera tradicional de representar las secuencias eléctricas de diferentes operaciones.

Diagrama Eléctrico en Escalera Simple

Los diagramas originales en escalera, fueron desarrollados para representar a los tradicionales circuitos lógicos interconectados, que se utilizaban para controlar una máquina o un equipo en particular.

Hardware del PCL

Procesadores

Allen-Bradley PLC modelo 5/12, 5/15, y 5/25 procesadores

Realizan todo tipo de operaciones aritméticas, manejan información y procesan rutinas de diagnóstico que antes no eran posibles con los relays, o con su predecesor, el procesador lógico interconectado.La función principal del procesador, es de comandar y gobernar las actividades de todo el sistema. Realiza esta función al interpretar y ejecutar un conjunto de programas del sistema que se conoce como el executive (ejecutivo).El CPU del sistema PLC puede contener más de un procesador (o micro), para ejecutar las obligaciones de los sistemas I/O las comunicaciones.

La opción de utilizar varios microprocesadores para dividir el control y las tareas de comunicación, se conoce como multi-processing (multi-procesamiento).

Scaneo del Procesador

La función básica del controlador programable, es de interpretar el input de todos los dispositivos y ejecutar el programa de control, que de acuerdo a la lógica programada, encenderá o apagará los dispositivos output. Este proceso de leer los inputs, ejecutar el programa, y actualizar los outputs, se conoce como scaneo

.

Representación del Scaneo Total del PLC.El tiempo que se requiere para implementar un scaneo se conoce como el tiempo de scaneo. El tiempo de scaneo está compuesto del tiempo de scaneo del programa y del tiempo de actualización del I/O.

Memoria

La característica más importante de un controlador programable, está representada por la posibilidad que tiene el usuario de realizar cambios rápidos en un programa de control de manera fácil y ágil. Esta característica dentro de la programación, es posible debido a la arquitectura o naturaleza misma del PLC. El sistema de memoria representa el área en el interior del CPU, donde todas las secuencias de instrucciones, o programas, están almacenadas y ejecutadas por el procesador, para proporcionar el control deseado de los diferentes dispositivos.

Secciones de Memoria

La totalidad del sistema de memoria de un PLC, está compuesto de dos memorias virtuales, la primera se conoce como el Ejecutivo y la segunda se conoce como Memoria de Aplicación.

Input/Output (I/O) – Entrada/Salida

En la mayoría de controladores programables, se utilizan módulos de enchufe el nivel de señal de I/O en uno que sea compatible con la arquitectura de la unidad. Estos módulos pueden componerse de 1, 4, 8, o 16 puntos, dependiendo del diseño estándar del fabricante.

La fuente de energía del sistema desempeña un papel importante en toda la operación del sistema. Puede considerarse, con toda seguridad, como el factor decisivo de la confiabilidad e integridad del sistema. Su función principal es proporcionar voltajes DC internos a los componentes del sistema (es decir, al procesador, a la memoria y al I/O).Igualmente es responsable de monitorizar y regular los voltajes que proporciona y de advertir al CPU de alguna falla o desperfecto. Consecuentemente, la fuente de energía tiene entonces la función de proporcionar una energía bien regulada y de proteger los otros componentes del sistema.

Dispositivos de Programación.

Desde la aparición de los controladores programables, desarrollos y avances en el diseño de los dispositivos de programación han estado rondando en las mentes de los fabricantes de PLCs. Métodos más nuevos y mejores en lo relacionado a alimentar, recuperar y monitorizar la actividad interna de los PLCs, han sido de beneficio para los controladores programables en casi todas las industrias. Debido a la simplicidad en ingresar programas, el usuario no tiene que perder mucho tiempo aprendiendo cómo ingresar un programa, sino que tiene ahora más tiempo disponible para programar y resolver el problema de control.Entre los dispositivos más importantes de programación, se puede mencionar al Cathode ray tube (CRT) – tubo de rayos catódicos a los mini-programadores, y al computador personal (PC).

Cathode Ray Tubes (CRTs) – Tubos de Rayos Catódicos

Los CRTs quizá sean los dispositivos más utilizados para programar al controlador. En esencia, son unidades auto-contenidas de exhibición de video y que cuentan con un tablero y con el necesario soporte electrónico, para comunicar con el CPU y para exhibir información. El CRT presenta la ventaja de exhibir grandes cantidades de lógica en la pantalla, lo que contribuye a simplificar, de manera importante, la interpretación del programa.

Los CRTs generalmente se clasifican en dos grupos: “tontos” “inteligentes”. Estos dos tipos presentan grandes variaciones en cuanto a su capacidad y a su precio.

CRT “Tonto”

A pesar que el CRT “tonto” ha sido ampliamente utilizado durante varios años como un dispositivo de programación CRT relativamente barato, su uso se ha limitado considerablemente debido a nuevos avances en la tecnología de computadores personales. Como su nombre lo implica, este CRT no tiene su base en un microprocesador y “no es inteligente”.

CRT “Inteligentes”

El CRT “inteligente” es un dispositivo o aparato, basado en un micro-procesador, que exhibe redes lógicas y proporciona capacidades de edición de programas, y otras funciones independientes del CPU del controlador. En contraposición con el CRT “tonto”, el terminal “inteligente” cuenta en su propia memoria interna con el software que se requiere para crear, alterar, y monitorizar programas.Estos aparatos o dispositivos “inteligentes”, obviamente cuestan mucho más que los terminales “tontos”.

Exhibición de un Diagrama en Escalera del PLC en una Pantalla de Programación del CRT

Mini-Programadores

Los Mini-Programadores, también conocidos como programadores manuales, constituyen un medio barato y portátil para programar pequeños PLCs (hasta 120 I/O). Por su aspecto, estos aparatos parecen calculadoras manuales, pero tienen una más grande pantalla y un tablero algo diferente. La pantalla es usualmente del tipo LED o matriz de punto LCD, y el tablero está compuesto de teclas numéricas, teclas de instrucción de programas, y teclas para funciones especiales. En lugar de la unidad manual, algunos controladores cuentan con un mini-programador incorporado; en algunas ocasiones, estos programadores incorporados se pueden desprender o separar del PLC.

Los Mini-Programadores, al igual que los CRTs, pueden ser también “tontos” o “inteligentes”. El programador manual no-inteligente puede ser utilizado para ingresar y editar el programa con una monitorización en línea limitada (limitada por la memoria y el tamaño de la pantalla) y la capacidad de edición. El Mini-Programador “inteligente”, se basa en un micro-procesador y proporciona al usuario muchas de las ventajas ofrecidas por el CRT. Estos aparatos inteligentes, muchas veces pueden realizar rutinas de diagnóstico del sistema (memoria, comunicación, exhibición, etc.), e inclusive, sirven como un dispositivo de interfase que puede exhibir mensajes en inglés relacionados con la máquina o proceso que están siendo controlados.

Programador Pequeño con un Programador Desmontable Incorporado.

Los pequeños Mini-Programadores no cuentan con una capacidad de almacenaje del programa en forma de cassettes; sin embargo, un módulo de memoria puede ser conectado a una unidad manual inteligente y puede ser utilizado para almacenar el programa.

Sistemas Numéricos

Un conocimiento cabal de los sistemas numéricos es útil al trabajar, ya sea con controladores programables, o con cualquier computador digital. Esto es cierto, debido a que un requerimiento básico que tienen que reunir estos aparatos, es la capacidad de representar, almacenar, y realizar operaciones con números, por más elementales que estas últimas sean.

En primer lugar, revisemos algunos fundamentos básicos. Las siguientes afirmaciones pueden aplicarse a cualquier sistema numérico:

Cada sistema cuenta con una base o raíz. Cada sistema puede ser utilizado para contar. Cada sistema puede ser utilizado para representar cantidades o códigos. Cada sistema cuenta con sistema particular de símbolos.

La base de un sistema numérico determina el número total de símbolos particulares que serán utilizados por ese sistema. El símbolo de mayor valor siempre tiene un valor correspondiente a uno menos que la base.

Sistema Numérico Decimal

El sistema decimal, el sistema numérico más conocido por todos nosotros, probablemente fue adoptado, debido a que el ser humano tiene 10 dedos en las manos y en los pies. La base del sistema numérico decimal es el número 10. Los símbolos o dígitos son 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,8 y 9. Para expresar números mayores que el 9, se asigna un valor al puesto o un peso a cada posición que el dígito ocuparía, comenzando de derecha a izquierda.La primera posición comenzando del extremo derecho, corresponde a la posición 0, la segunda posición es la posición 1 y así sucesivamente, hasta la última posición (n). El valor ponderado de cada posición, puede expresarse como la base (en este caso 10), elevada a la potencia de (n), que corresponde a la posición. Consecuentemente, en el sistema decimal, el peso que representan las posiciones de derecha a izquierda, es de 1,10,100,1000, etc.

El valor del número decimal se calcula, multiplicando cada dígito por el peso de su posición y luego sumando los resultados.

Como veremos en el caso de otros sistemas numéricos, el equivalente decimal de cualquier número, puede ser calculado, multiplicando el dígito por la base elevado a la potencia que corresponde a la posición del dígito.

Se demuestra a continuación.

Sistema Numérico Binario.El sistema numérico binario emplea el número 2 como su base. Los únicos dígitos con los cuales cuenta este sistema son el 0 y el 1. No hay 2, 3, etc. El sistema binario se acopla y se adapta a muchos aparatos como: controladores programables y computadores digitales.El equivalente decimal de un sistema binario, se calcula de la misma manera que un número decimal, con la particularidad de que en lugar de elevarle al 10 a la potencia correspondiente a la posición, se eleva el 2 a la potencia correspondiente a la posición. Entonces, para el sistema binario, los valores ponderados de derecha a izquierda son: 1,2,4,8,16,32,64, etc., que representan las posiciones 0,1,2,3,4,5,6, etc. Calculemos ahora, el valor decimal equivalente al valor del número binario 10110110:

De esta manera, el número binario 10110110 tiene al número 182 como su equivalente en el sistema decimal.

El contra en un sistema binario, es un poco más complicado que en el sistema decimal, por el simple hecho de que no estamos acostumbrados.De esta manera, cuando contamos en el sistema binario 0, 1 el siguiente dígito será 10 (uno cero, y no diez), tal como lo que ocurre cuando contamos en el sistema decimal 0,1,2…9, el siguiente dígito será 10 (diez).

Contando en el Sistema Binario y en el Sistema Decimal

Sistema Numérico Octagonal

El expresar un número en el sistema binario, obviamente requiere de una mayor cantidad de dígitos que en el sistema decimal. Por ejemplo, 9110 = 10110112. Demasiados dígitos binarios pueden ser difíciles de leer o escribir, cuando se utiliza números grandes, especialmente para los lectores humanos o para los escritores. El sistema octagonal emplea el número 8 como su base. Los ocho dígitos del sistema son 0, 1, 2, 3, 4, 5,6 y 7.

Número Binario y su correspondiente Código Octagonal.

Sistema Numérico Hexadecimal.

El sistema numérico hexadecimal (hex), utiliza el número 16 como su base. Consiste de 16 dígitos, los número 0 hasta 9, y las letras A hasta F, que sustituyen a los números del 10 al 15 respectivamente.

El sistema hexadecimal es utilizado por la misma razón que el sistema octagonal; es decir, para representar números binarios con menos dígitos. El sistema numérico hexadecimal utiliza un dígito para representar cuatro dígitos binarios (o bits), en lugar de 3 como en el sistema octagonal.

Código Hexadecimal correspondiente al Sistema Binario y al Sistema Decimal

Conversiones Numéricas

La manera más sencilla de realizar conversiones numéricas entre sistemas, es utilizando una buena calculadora. En esta sección, se les enseñará, cómo un número decimal puede ser convertido al sistema binario, octagonal, o a cualquier otro sistema numérico, sin una calculadora.

Para convertir un número decimal en su equivalente de cualquier base, una serie de divisiones utilizando la base deseada, deben ser realizadas. El proceso de conversión se inicia, dividiendo el número decimal por la base; si existe un remanente, se lo coloca en el dígito menos significativo de la nueva numérica.

Códigos Binarios.

Un importante requerimiento que presentan los controladores programables, es la posibilidad de comunicarse con varios aparatos externos, que ya sea, proporcionan información al controlador, o reciben información de este último.

Esta función de input/output involucra la transmisión, manipulación y almacenamiento de información binaria, que en algún momento tiene que ser interpretada por seres humanos.Una manera de satisfacer este requerimiento, consiste en asignar una combinación única de 1s y 0s a cada número, letra o símbolo que tiene que ser representado. Esta técnica se conoce como la codificación binaria.

BCD

El Binary Coded Decimal (el Decimal con Codificación Binaria) fue creado para permitir ingresar números manejados por seres humanos en máquinas digitales y para interpretar números que emanaban de esas máquinas. La solución a este problema, consiste en convertir un código fácilmente manejado por el hombre (decimal), en un código fácilmente manejado por el equipo (binario). El resultado de esto constituye el BCD.Dentro del sistema decimal, los números van del 0 hasta el 9, mientras que en el BCD, cada uno de estos números es representado por un número binario de 4-bit.

Código BCD con sus equivalentes en los Sistemas Binario y Decimal

La representación BCD de un número decimal, se obtiene simplemente sustituyendo cada dígito decimal por su equivalente BCD. La representación BCD del número decimal 7493 se muestra a continuación.

0111 0100 1001 00117 4 9 3

La información BCD es entonces, tomada por el PLC y convertida internamente en el equivalente binario de la información de salida, empleando algún tipo de instructivo; el input u output de la información BCD, requiere de 4 líneas hacia un interfase input/output para cada dígito decimal. La figura 7.7 muestra un switch thumbwheel y un indicador de 7-segmentos.

Registro de Formatos de Palabras.

Como se indicó previamente, el controlador programable realiza todas sus operaciones internas en el sistema binario, empleando 1s y 0s. Adicionalmente, el estato I/O de los dispositivos de campo, también es leído o escrito hacia el CPU del PLCs o del mismo CPU, en forma binaria.

Una palabra del PLC, también se conoce como “register” (registro) o “location” (locación). Ilustra un registro de 16-bit compuesto de 2 bytes.

Formato Binario

La información almacenada en este formato, puede ser a convertida directamente a su equivalente decimal, sin ningún tipo de restricciones especiales.

Entonces, en un registro de 16-bit, un valor máximo de 6553510 puede ser representado.

Todos estos status están almacenados en registros o palabras.

Si el bit más significativo del registro que se encuentra en la Figura 7.2, se utiliza como un bit de señal, entonces el máximo valor en el sistema decimal que puede ser almacenado, es +32767, o -32767.

Formato BCD

Si la información se almacena en un formato BCD, entonces, se utilizan 4 bits para representar un solo dígito decimal.

Los únicos números decimales que estos 4 bits pueden representar, van del 0 al 9. Hay varios controladores programables que utilizan el formatoBCD, para operar y almacenar información en algunas de sus instrucciones de software como aritmética y manipulación de información.