03 marzo 2012

Guía de introducción a los autómatas programables (1ª PARTE)

Los autómatas programables son elementos de estado sólido que usan circuitos integrados en vez de elementos electromecánicos para implementar funciones de control. Son capaces de almacenar instrucciones, tales como la secuenciación, tiempos, contar, aritmética, manipulación de datos, y comunicación, para controlar máquinas y procesos industriales.

Los primeros controladores programables fueron más o menos destinados a sustituir relés. Su función primaria fue realizar operaciones secuenciales que previamente eran implementadas con relés. Sus operaciones incluían control ON/OFF de máquinas y procesos que requerían operaciones competitivas, tales como líneas de transferencia y máquinas de taladrado y molienda. Sin embargo, estos controladores programables.

Muchos avances tecnológicos en la industria de los controladores programables continúan hoy. Estos avances no solamente afectan al diseño del controlador programable. La siguiente lista describe las principales características de los PLC modernos:

  • Tiempos de rastreo más rápidos usando tecnologías de microprocesador avanzadas.
  • Pequeños PLC a bajo coste para reemplazar a varios relés.
  • Sistemas entrada/salida de alta densidad.
  • Interfaces I/O de alta densidad.
  • Interfaces I/O inteligentes basadas en microprocesador. Las interfaces incluyen PID (proporcional-integral-derivativo, redes, CAnbus, fieldbus, comunicación ASCII, posicionamiento, host computer y módulos de lenguaje (ej. BASIC, Pascal).
  • Mejoras de diseño mecánico que incluyen envolventes de entrada/salida robustas y sistemas de entrada/salida que tienen el terminal como unidad integral.
  • Interfaces especiales que permiten ciertos dispositivos conectados directamente al controlador. Las interfaces típicas incluyen termopares, medidores de tensión y entradas de respuesta rápida.
  • Equipos periféricos que han mejorado técnicas de interfaces del operador, y la documentación del sistema es ahora una parte del sistema.
Los avances de software han llevado a PLCs poderosos con las siguientes características:

  • Los PLCs han incorporado herramientas de programación orientadas al objeto y con múltiples lenguajes.
  • Los pequeños PLCs disponen de instrucciones poderosas, que extienden el área de aplicación para estos pequeños controladores.
  • Los lenguajes de alto nivel, tales como C, se implementan en algunos módulos de los controladores para proporcionar mayor flexibilidad de programación cuando se produce la comunicación con dispositivos periféricos y manipulación de datos.
  • Las instrucciones de bloques funcionales avanzados se han implementado por medio de instrucciones de diagrama en escalera para proporcionar capacidades realzadas de software usando comandos de programación simples.
  • Las diagnosis y detección de fallos se han expandido desde diagnósticos del sistema simples a diagnósticos de máquinas que diagnostican disfuncionamiento de la máquina o proceso controlado.
  • Las matemáticas de coma flotante hacen posible realizar cálculos complejos en aplicaciones de control que requieren medición, equilibrado, y computación estadística.
  • Las instrucciones de manipulación y manejo de datos han mejorado y simplificado para acomodar aplicaciones de adquisición de datos y control complejo que implica almacenamiento, rastreo, y retirada de grandes cantidades de datos.

DEFINICIONES BÁSICAS

Principios de operación

Un controlador programable consiste en dos secciones básicas:

  • Unidad de procesamiento central (CPU).
  • Sistema de interface de entrada/salida

La Unidad de Procesamiento Central (CPU) gobierna todas las actividades del PLC y sus componentes son los siguientes:

  • El procesador.
  • El sistema de memoria.
  • La fuente de alimentación del sistema.
La operación de un controlador programable es bastante simple.  El sistema de entrada/salida se conecta físicamente a los dispositivos de campo que se encuentran en la máquina o que son usados en el control de un proceso. Estos dispositivos de campo pueden ser dispositivos de entrada/salida discretos o analógicos, tales como interruptores limitadores, transductores de presión, botones pulsadores, arrancadores de motor, solenoides, etc. Las interfaces proporcionan la conexión entre la CPI y los proporcionadores de información (entradas) y dispositivos controlables (salidas).

Durante su operación, el CPU completa tres procesos: (1) Lee, o acepta, los datos de entrada del dispositivo de campo vía las interfaces de entrada, (2) ejecuta, o realiza, el programa de control almacenado en el sistema de memoria, y (3) escribe, o actualiza, los dispositivos de salida vía las interfaces de salida.

El sistema de entrada/salida forma la interface por la cual los dispositivos de campo se conectan al controlador. El propósito principal de la interface es acondicionar las señales recibidas o enviadas a los dispositivos de campo externos. Las señales de entrada de sensores (pulsadores, interruptores limitadores, sensores analógicos, interruptores selectores, etc) son cableados a los terminales en las interfaces de entrada. Los dispositivos que se controlan, como arrancadores de motores, válvulas de solenoide, luces piloto, y válvulas de posición, se conectan a los terminales de las interfaces de salida. La fuente de alimentación del sistema proporciona todos los voltajes requeridos para la operación apropiada de varias secciones de CPU.

Áreas de aplicaciones de los PLC

Desde el comienzo, los PLCs se han aplicado a casi cada segmento de la industria, realizando una gran variedad de tareas de control, desde control ON/OFF repetitivo de máquinas simples a fabricación y control de procesos sofisticado.

Veamos algunos ejemplos por áreas de aplicación:
  • Petroquímica: Procesos por lotes, manipulación de producto terminado, manejo de materiales, mezclado, perforación on-shore, control de tuberías, tratamiento de agua y residuos.
  • Vidrio/Film:  Pesado de calcín, pulido, conformado, control de Lehr, empaquetado y procesado.
  • Fabricación/mecanización: Máquinas de ensamblaje, taladrado, grúas, demanda de energía, molienda, moldeo por inyección, transportadores de material, fundido de metales, pintura, enchapado, soldadura, etc.
  • Metales: Control de hornos, fundición, tren de laminación.
  • Alimentación: Transportadores de acumulación, plegado, fabricación de bebidas.
  • Minería: Transporte de material a granel, carga/descarga, procesado de mineral, gestión de residuos y agua.
  • Energía: Control de quemador, manejo de carbón, control de humos, procesado de corte a medida, derramamiento de carga, clasificación, molienda/procesado,..

Diagramas de escalera

El diagrama de escalera representa las secuencias eléctricas de operaciones. Estos diagramas representan la interconexión de los dispositivos de campo de forma que la activación, o encendido de dispositivos en una secuencia determinada.

Ventajas de PLCs

En general, la arquitectura del PLC es modular y flexible, permitiendo que los elementos de software y hardware se expandan cuando cambian los requerimientos de la aplicación. En el caso de que una aplicación supere las limitaciones del controlador programable, la unidad puede ser fácilmente reemplazada con una unidad que tenga una mayor memoria y capacidad I/O, y el viejo hardware puede reutilizarse para una aplicación más pequeña. Un sistema PLC proporciona muchos beneficios para soluciones de control.

Facilidad de instalación

Varios atributos hacen fácil la instalación y además es un proyecto efectivo en costes. Su tamaño relativamente pequeño permite que un PLC esté convenientemente localizado en menos de la mitad de espacio requerido en un panel de control de relés.

Los circuitos de detección de fallos y los indicadores de diagnóstico incorporados en cada componente principal, señalan si el componente está trabajando apropiadamente o funcionando mal. En realidad, la mayoría de los fallos asociados con un sistema basado en PLC procede de fallos directamente relacionados con los dispositivos de entrada/salida de campo, en vez de con la CPU del PLC o el sistema de interface I/O. Sin embargo, la capacidad de supervisión de un sistema PLC puede fácilmente detectar y corregir estos fallos de los dispositivos de campo.

Con la ayuda del dispositivo de programación, cualquier lógica programada puede verse si las entradas o salidas son ON u OFF.

Estos y otros atributos de los PLC lo hace una parte variable de cualquier sistema de control. Una vez instalado, su contribución será rápidamente observada y el payback serán fácilmente comprendidas. Los beneficios potenciales del PLC, como cualquier otro dispositivo inteligente, dependerá de la creatividad con que es aplicada.

Es obvio de la discusión precedente que los beneficios potenciales de los controladores programables en una aplicación industrial son sustanciales. 

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