Apunte plc

Instrumentación y Comunicaciones Industriales / FI-UNLP

HISTORIA DE LOS PLC’s
En 1969 la División Hydramatic de la General Motors instaló el primer
PLC para reemplazar los sistemas inflexibles cableados usados
entonces en sus líneas de producción.
Ya en 1971, los PLCs se extendían a otras industrias y, en los
ochentas, ya los componentes electrónicos permitieron un conjunto de
operaciones en 16 bits,comparados con los 4 de los 70s -, en un pequeño volumen, lo que los
popularizó en todo el mundo.
En los 90s, aparecieron los microprocesadores de 32 bits con
posibilidad de operaciones matemáticas complejas, y de
comunicaciones entre PLCs de diferentes marcas y PCs, los que
abrieron la posibilidad de fábricas completamente automatizadas y con
comunicación a la Gerencia en "tiempo real".
Un autómata programable suele emplearse en procesos industriales
que tengan una o varias de las siguientes necesidades:
• Espacio reducido.
• Procesos de producción periódicamente cambiantes.
• Procesos secuenciales.
• Maquinaria de procesos variables.
• Instalaciones de procesos complejos y amplios.
• Chequeo de programación centralizada de las partes del
proceso.
Aplicaciones generales:
• Maniobra de máquinas.
• Maniobra de instalaciones.
• Señalización y control.
Entre las ventajas tenemos:
• Menor tiempo de elaboración de proyectos.
• Posibilidad de añadir modificaciones sin costo añadido en
otros componentes.
• Mínimo espacio de ocupación.
• Menor costo de mano de obra.
• Mantenimiento económico.
1


• Posibilidad de gobernar varias máquinas con el mismo
autómata.
• Menor tiempo de puesta en funcionamiento.
• Si el autómata queda pequeño para el proceso industrial
puede seguir siendo de utilidad en otras máquinas o
sistemas de producción.
Y entre los inconvenientes:
• Adiestramiento de técnicos.
• Costo.

Adaptación al Medio
§ Inmunidad al ruido eléctrico
§ Rigidez dieléctrica
§ Temperatura
§ Humedad
§ Vibraciones
§ Shokc (golpes)
§ Radiofrecuencia
§ Antiexplosivo

Redundancia
§ CPU
§ Fuente
§ Entradas y Salidas

2


Un PLC o Autómata Programable posee las herramientas
necesarias, tanto de software como de hardware, para
controlar dispositivos externos, recibir señales de sensores y
tomar decisiones de acuerdo a un programa que el usuario
elabore según el esquema del proceso a controlar

PROCESO

ACTUADORES

SENSORES

Acciones que
se realizan
sobre el
proceso

Información
suministrada
por el proceso

PLC

SALIDAS

ENTRADAS

Arquitectura de un Autómata Programable
Bloques principales del PLC
• CPU
• Bloque de entrada
• Bloque de salida

DISPOSITIVOS
DE ENTRADA
O
CAPTADORES

BLOQUE
ENTRADAS

CPU

3

BLOQUE
SALIDAS

DISPOSITIVOS
DE SALIDA
O
ACTUADORES


CLASIFICACIÓN DE PLC
Debido a la gran variedad de tipos distintos de PLC, tanto en sus
funciones, en su capacidad, en el numero de I/O, en su tamaño de
memoria, en su aspecto físico y otros, es que es posible clasificar los
distintos tipos en varias categorías.

PLC tipo Nano:
Generalmente PLC de tipo compacto ( Fuente, CPU e I/O integradas )
que puede manejar un conjunto reducido de I/O, generalmente en un
número inferior a 100. Permiten manejar entradas y salidas digitales y
algunos módulos especiales.

PLC tipo Compactos:
Estos PLC tienen incorporado la Fuente de Alimentación, su CPU y
módulos de I/O en un solo módulo principal y permiten manejar desde
unas pocas I/O hasta varios cientos ( alrededor de 500 I/O ) , su
tamaño es superior a los Nano PLC y soportan una gran variedad de
módulos especiales, tales como:
§
§
§
§
§

entradas y salidas análogas
módulos contadores rápidos
módulos de comunicaciones
interfaces de operador
expansiones de i/o

PLC tipo Modular:

Estos PLC se componen de un conjunto de elementos que conforman
el controlador final, estos son:
§
§
§
§
§
§

Rack
Fuente de Alimentación
CPU
Módulos de I/O
Comunicaciones.
Contaje rápido.

Funciones especiales

4


De estos tipos existen desde los denominados MicroPLC que soportan
gran cantidad de I/O, hasta los PLC de grandes prestaciones que
permiten manejar miles de I/O.
Bloques necesarios para el funcionamiento del PLC
•
•
•
•

Fuente de alimentación
Consola de programación
Periféricos
Interfaces

FUENTE DE ALIMENTACION

DISPOSITIVOS
DE ENTRADA
O
CAPTADORES

BLOQUE
ENTRADAS

BLOQUE
SALIDAS

CPU

DISPOSITIVOS
DE SALIDA
O
ACTUADORES

INTERFACES

CONSOLA DE
PROGRAMACION

DISPOSITIVOS
PERIFERICOS

CPU
La Unidad Central de Procesos es el cerebro del sistema. En ella se
ejcuta el programa de control del proceso, el cual fue cargado por
medio de la consola de programación, lee las entradas. Y
posteriormente procesa esta información para enviar respuestas al
módulo de salidas. En su memoria se encuentra residente el programa
destinado a controlar el proceso.
Indicadores y selectores de modo de operación de la CPU
CPU

110/220Vca
ERR

RUN

PWR

RUN

PGM

CPU

BATT

STOP

DIAG

I/O

TXD

RXD

5


Selección del modo de operación
RUN: En esta posición, el PLC empieza a ejecutar el programa
STOP: Esta posición detiene el proceso que se esté ejecutando.
PROGRAM: En esta posición, el PLC permite ser programado desde algún dispositivo
externo

Funciones de las Indicaciones Lumínicas
PWR: Muestra el estado de la fuente de
alimentación.

BATT: Indica el estado actual de la
batería de respaldo de la fuente de
alimentación.

RUN: Indica que la CPU del PLC se
encuentra en modo RUN

I/O: Esta luz sirve para indicar el estado
de los módulos de entrada y salida.

CPU: La CPU hace diagnóstico de su
estado de funcionamiento en forma
automática.

DIAG: Los autómatas pueden tener un
sistema de diagnóstico propio.

ERR: Señal que hubo un error durante la
ejecución del programa. El error puede ser
de programa o de funcionamiento del
hardware del PLC.

TXD: Es el indicador de transmisión de
datos por los puertos de comunicaciones.
RDX: Es el indicador de recepción de
datos por los puertos de comunicaciones.

6


Fuente de alimentación
A partir de una tensión exterior
necesarias para el funcionamiento
electrónicos del autómata, además
mantener el programa y algunos datos
corte de la tensión exterior.

30Vcc 1A
250Vca 1A
50/60HZ

⊗

RUN

⊗
+
24Vcc OUT
0.4A

-

⊗
⊗
⊗

LG

proporciona las tensiones
de los distintos circuitos
posee una batería para
en la memoria si hubiera un

Contacto para
arranque remoto

Salida de voltaje
para dispositivos
externos
Tierra lógica
(común para I/O)

G

⊗
L

⊗

Alimentación de la red
Línea viva

N

85-132/170264Vca
50Va
50/80Hz

Conexión a tierra
física

⊗

Alimentación de la red
Línea neutra

SHORT
85-132Vac
OPEN
170-284
Vac

⊕
⊕

Puente para la selección
del voltaje de la red

Voltaje de entrada

Oscila entre:
100VCA - 240VCA

Voltaje de salida

Oscila entre:
12VDC - 24VDC

Corriente de
salida

1A - 3A

Frecuencia de
operación

50Hz ó 60Hz

Sobrecorrientes y
sobrevoltajes

Protecciones

7


Bloque de entradas
Adapta y codifica de forma comprensible para la CPU las señales
procedentes de los dispositivos de entrada o captadores.
• Captadores Pasivos son aquellos que cambian su estado
lógico, activado - no activado, por medio de una acción
mecánica. Estos son los Interruptores, pulsadores, finales de
carrera, etc.

• Captadores Activos son dispositivos electrónicos que
necesitan ser alimentados por una tensión para que varíen su
estado lógico. Este es el caso de los diferentes tipos de
detectores (Inductivos, Capacitivos, Fotoeléctricos). Muchos
de estos aparatos pueden ser alimentados por la propia fuente
de alimentación del autómata.

Se puede utilizar como captadores contactos eléctricamente
abiertos o eléctricamente cerrados dependiendo de su función en
el circuito.

8


Bloque de salidas
Decodifica las señales procedentes de la CPU, las amplifica y
las envía a los dispositivos de salida o actuadores, como lámparas,
relés, contactores, arrancadores, electroválvulas, etc.
Módulos de salidas a Reles

Módulos de salidas a Triacs

Módulos de salidas a Transistores a colector abierto

9


Módulos de E/S analógicos

Módulos Especiales
§ BCD Entradas y Salidas
§ Entradas de Termocuplas
§ Entradas de Termorresistencias (PT-100)
§ Salidas a Display
§ Memoria de Datos

Módulos Inteligentes
§ Control de Motores a pasos
§ Control PID
§ Comunicación
§ Lector Óptico
§ Generación de frecuencias
§ Contadores de pulsos rápidos
§ Medidores de frecuencias y/o ancho de pulsos
§ Remotos

Densidad de Modulo
Esta dado por el numero de E/S de cada modulo
Pueden ser de: 4, 8, 16 o 32
Un modulo de 16 E/S se puede dividir en 2 de 8
Cada grupo dispone de un solo borne de referencia o común.
Las salidas tienen un fusible de protección
Las borneras son móviles, se desmontan sin tener que desconectar
los cables evitando cometer errores

10


Expansión Local
Se expanden las E/S por el Bus Paralelo

Rack Secundario

Rack Ppal.
C
P
U

E/S

E/S

Algunas decenas de Mts

Expansión Remota
Se utilizan procesadores de comunicaciones especiales, uno
en cada chasis de expansión

Rack Ppal
C
P
U

E/S
Racks Secundarios
C
P
U

E/S

C
P
U

E/S

Bus Redundante
11


Medio Físico: Coaxil, Fibra Óptica o UTP
Los racks secundarios pueden estar a 5 Kms.
Esto implica un ahorro substancial en el cableado.
Si tengo 200 E/S a 50 mts. => 10 Kms. de cable
Con un rack secundario solo necesito 50 mts de cable coaxil.
Todas las señales viajan por un solo cable => más vulnerable
Se emplean cableados redundantes por distintos caminos

Consola de programación
La consola de programación es la que permite comunicar al
operario con el sistema, permitiendo escribir y poner a punto
programas. Algunas permiten ensayos de simulación y puesta en
servicio de los mismos.
Las consolas pueden estar constituidas por un dispositivo de
presentación visual (display) o bien un ordenador personal (PC) que
soporte un software especialmente diseñado para resolver los
problemas de programación y control.
Las funciones básicas de éste son las siguientes:
1. Transferencia y modificación de programas.
2. Verificación de la programación.
3. Información del funcionamiento de los procesos.

Terminal de programación portátil

Terminal de programación compatible PC

12


PERIFÉRICOS

Los periféricos no intervienen directamente en el
funcionamiento del autómata, pero sin embargo facilitan
la labor del operario.
Los más utilizados son:
- Grabadoras a cassettes.
- Impresoras.
- Cartuchos de memoria EEPROM.
- Visualizadores y paneles de operación OP

Panel de Operación

Conexión de un visualizador a un autómata

13


Arquitectura interna del PLC
Esta constituida por:
• Fuente de alimentación
• Unidad central de proceso
• Memoria:
a- Memorias internas
b- Memorias de programa
• Interfaces de entrada/salida
• Buses de comunicación
• Batería de respaldo

FUENTE DE
ALIMENTACION

MEMORIA
DEL
PROGRAMA
BATERIA

BUS INTERNO

MEMORIA DE
DATOS
INTERFACES
DE
ENTRADA

TEMPORIZADOR

MEMORIA
IMAGEN E/S
UNIDAD
CENTRAL DE
PROCESO

(CPU)
CONTADORES

14

INTERFACES
DE
SALIDAS


Conexión mediante buses
Si el PLC es de tipo modular, los módulos se comunican
internamente a través de buses ubicados en el fondo del dispositivo
o "rack" donde se ensambla la arquitectura deseada.
Básicamente existen tres tipos de buses
Bus de datos: Es el bus encargado de transportar la información
que hace referencia a los datos propiamente dicho, tales como
entradas y salidas.
Bus de direcciones: Contiene la información del dispositivo que es
afectado por los datos que actualmente viajen por el bus de datos.
Esto es necesario ya que el bus de datos es el mismo para todos
los dispositivos, pero no todos ellos deben tener en cuenta a la vez
la misma información.
Bus de control: Es el bus por donde viaja la información que indica
al dispositivo seleccionado con el bus de direcciones, lo que debe
hacer con los datos que viajan actualmente por el bus de datos. Por
ejemplo, mediante el bus de control se indica si los datos son de
entrada o de salida.

INTERFACES

CPU

Bus de direcciones
Bus interno
del
autómata

Bus de datos
Bus de control

Memoria RAM
Lectura/Escritura

Memoria ROM
Lectura

Arquitectura de conexión mediante buses

15


Memoria
Es cualquier tipo de dispositivo que permita almacenar
información en forma de bits (unos y ceros), los cuales pueden ser
leídos posición a posición (bit a bit), o por bloques de 8 posiciones
(byte) o dieciséis posiciones (word).
Clasificación
Existen dos tipos fundamentales de memorias fabricadas con
semiconductores, estas son:
RAM (Random Access Memory)
ROM (Read Only Memory)

Tipo de memoria

Sistema de
programación

Sistema de
borrado

RAM (o memoria
de lectura –
escritura)
ROM (o memoria
de solo lectura)

Eléctrica

Eléctrica

Durante su
proceso de
fabricación
Eléctrica

Es imposible su
borrado

Se mantiene
Se mantiene

Eléctrica

Es imposible su
borrado
Por rayos UV

Se mantiene

Eléctrica

Eléctrica

Se mantiene

PROM (o memoria
programable)
EPROM (o
memoria
modificable)
EEPROM (o
memoria
modificable)

16

Ante el corte de
tensión la
memoria
Se pierde, es
volátil


Utilización de memorias
PROGRAMAS FIRMWARE Y DE
SISTEMA
(ROM O EPROM)
MEMORIAS TEMPORALES

PROGRAMA O MEMORIA DEL
SISTEMA FIRMWARE

(RAM O EPROM)
MEMORIA IMAGEN O TABLA DE
ESTADOS DE E/S
(RAM)
MEMORIA DE DATOS NUMERICOS Y
VARIABLES INTERNAS
(RAM)
MEMORIA DEL PROGRAMA DE
USUARIO
(RAM)

MEMORIA DE LA TABLA DE
DATOS
MEMORIA INTERNA
MEMORIA
DE USUARIO
MEMORIA DEL PROGRAMA DE
USUARIO
MEMORIA DE PROGRAMA

Ciclo de tratamiento de las señales de entrada/salida a
través de las memorias imagen:
1- Antes de la ejecución del programa de usuario, la CPU
consulta los estados de las entradas físicas y carga con ellos la
memoria imagen de entradas.
2- Durante la ejecución del programa de usuario, la CPU realiza
los cálculos a partir de los datos de la memoria imagen y del estado
de los temporizadores, contadores y relés internos. El resultado de
estos cálculos queda depositado en la memoria imagen de salidas.
3- Finalizada la ejecución, la CPU transfiere a las interfaces de
salida los estados de las señales contenidos en la memoria imagen
de salidas, quedando el sistema preparado para comenzar un
nuevo ciclo.

17


MEMORIA DE
PROGRAMA

IMAGEN DE
ENTRADAS

CPU

IMAGEN DE
SALIDAS

INTERFAZ
DE
ENTRADAS

MEMORIA DE
DATOS

INTERFAZ
DE
SALIDAS

Ciclo real

INTERFAZ DE ENTRADAS
A
MEMORIA IMAGEN DE
ENTRADAS

EJECUCION DEL
PROGRAMA

MEMORIA IMAGEN DE
SALIDAS
A
INTERFAZ DE SALIDAS

18


Otras variables que se almacenan en la memoria
interna son:
Relés internos
Ocupan posiciones RAM de 1 bit, y son utilizados como área de
datos temporales, como salida de resultados de operaciones
intermedias, y para controlar otros bits o registros, temporizadores y
contadores.
Relés auxiliares/especiales
Se guardan en posiciones de 1 bit, y mantienen información
sobre señales necesarias para el sistema, como relojes, bits de
control, flags de estados de la CPU, e información sobre el
autómata (Run, Stop, Halt, errores, etc.). Estos relés pueden
consultarse y utilizarse desde el programa usuario.
Area de temporizadores y contadores
Ocupa posiciones de 16 bits o más bits, capaces de almacenar
los valores de preselección y estado actualizados de estos
elementos.

19


Interfaces de entrada y salida

20


Tipos de Señales

Las señales analógicas presentan variaciones de nivel en forma
continua, motivo por el cual pueden presentar infinidades de valores
Las señales del tipo lógicos o Discretas, solamente permiten dos
estados, activo o inactivo

21


Clasificación de los diferentes tipos de interfaces de
entrada y salida utilizados por los PLC.

AC

Entrada
DC

Lógicas

AC

Salidas

DC
Por Relé

Entradas

Continuas

Analógicas
Salidas

Una vez obtenidas la cantidad necesaria de Entradas y de Salidas
es muy recomendable reservar espacio para futuras ampliaciones
(entre un 10 y un 20 %).

22


Circuito típico de aislamiento utilizado para entradas y
salidas de un PLC, sin importar el tipo de señal (DC o
AC) de entrada
Entrada
+V

R1

Señal
de entrada

D1

C1

R3

C2

R4

R5

R2

Aislamiento
óptico

Entrada

Rectificador

Acond.
de Señal

R6

Indicador
. de
Estado

Aislación

Circuito
lógico de
Entrada

Salida
Salida

+V

R1
R3
Buffer

R4
C1

Señal
de salida

Aislamiento
óptico

Circuito
lógico de
Salida

Aislación

Indicador
. de
Estado

23

Circuito de
Conexión
Triac, Rele

Protección
(Fusibles,
RC
P/eliminar
Picos)


Entrada lógica DC
Las entradas de este tipo pueden ser PNP o NPN, dependiendo de
la configuración que se deba utilizar para la conexión de los
sensores de entrada. Las de tipo PNP utilizan la lógica positiva, es
decir, el terminal común de todos los sensores e interruptores de
entrada es el positivo de la fuente de alimentación DC.

+V

+5V

+

Sensor con
salida de colector
abierto tipo PN P

R3

R2

+

R4
Señal
TTL

R1

C1

-

+5V

R2

+
Sensor
com ún

R3

R4
Señal
TTL

R1
C1

+5V

Sensor con
alim entación
externa

+
V

R3

R2

+

Señal
TTL

R1

Fuente
externa

R4

C1

Señales de cam po

C om ún

M odulo de entradas
D C de tipo PN P

Por otra parte, las entradas DC de tipo NPN utilizan lógica negativa,
siendo el terminal común entre los sensores, el borne negativo de la
fuente de alimentación

24


Características que se deben tener en cuenta en el
momento de adquirir o de utilizar un módulo de
entradas de tipo DC.

Características técnicas
Aislamiento eléctrico 1500 a 5000VAC
entre canales
Números de entradas 4, 8, 16 ó 32
por módulos
Conexión externa
Lógica positiva (PNP) o Lógica
negativa (NPN)
Tensión de entrada
12, 24, 48, 120VDC
Margen de entrada
> 65 % de la tensión nominal
para nivel 1
Margen de entrada
< 25 % de la tensión nominal
para nivel 0
Corriente en estado 1 2 a 10mA
Impedancia de
800Ω a 12KΩ
entrada

25


Entrada lógica AC
Este tipo de entradas puede recibir voltajes de corriente alterna,
motivo por el cual no requieren una polaridad definida, a diferencia
de las entradas de tipo DC. Se caracterizan por sus amplios rangos
de voltajes de funcionamiento (hay entradas que funcionan
correctamente en un rango de 100 a 220VAC).

+5V

E0

D1

R1

Sensor
común
C1

MOV1

D2

R2
Señal
TTL

C2

+5V

E1

Fuente
AC

D1

R1

D2

C2

C1
MOV1

Común
Señal de
campo

Módulo de entrada AC

26

R2
Señal
TTL


momento de adquirir o de utilizar un módulo de
entradas de tipo AC.

Aislamiento entre
2500 a 5000VAC
canales
Números de entradas 4, 8, 16 ó 32
por módulos
Tensión de entrada
24, 48, 120, 220VAC
Margen de entrada
> 65 % de la tensión
para nivel 1
nominal
Margen de entrada
< 20 % de la tensión
para nivel 0
nominal
Tiempo de respuesta 5 a 20ms
Impedancia de
1 a 10KΩ
entrada

27


Salidas lógicas de tipo DC
Al igual que las entradas de este tipo, las salidas lógicas DC pueden
ser del tipo PNP o NPN dependiendo de la forma en que se deben
conectar los circuitos de control que se vayan a utilizar. Las de tipo
PNP utilizan lógica positiva, lo que significa que las salidas activas
del módulo suministran la polaridad positiva de la fuente de
alimentación que se este usando.

+5V

R2

Q2

R3

Actuador 1
D1
D2

Señal
TTL

R1
Q1

+5V

R2

Q2

R3

Actuador 2

D1
D2
R1
Señal
TTL

Q1
Fuente externa para
los actuadores DC
Módulo de salida DC PNP

28

+


momento de adquirir o de utilizar un módulo de salidas
de tipo DC.

Aislamiento entre
1500VAC
canales
Números de salidas
4, 8, 16 ó 32
por módulos
Tensión de salida
5 – 30VDC
Corriente de salida
100mA a 1A
Caída de tensión
0,2V a 1,5V
Tiempo de respuesta 100 a 500µs
Frecuencia máxima de 10 a 100Hz
trabajo
Temperatura de
5 a 55 °C
trabajo

29


Salidas lógicas de tipo AC
Las salidas lógicas de tipo AC manejan voltajes y corrientes
superiores a las salidas de tipo DC. Como mencionamos
anteriormente, el elemento semiconductor en este tipo de salidas
suelen ser un triac, el cual permite el flujo de corriente AC entre dos
de sus terminales, controlándola mediante otro terminal.
La conexión de los elementos externos de control a las salidas
lógicas de tipo AC no tienen polaridad alguna.

+5V

R2

Actuador 1

R3
R5

TH1

Señal
TTL

R1
Q1

C1

R4

+5V

R2

MOV1

Actuador 2

R3
TH1

R5
MOV1

Señal
TTL

R1
Q1

R4

C1
Fuente externa para
los actuadores AC

Salidas logicas AC

.

30


Características técnicas relacionadas con las salidas
AC

Aislamiento entre
canales
Números de salidas por
módulos
Tensión de salida
Corriente de salida
Intensidad transitoria
Caída de tensión
Tiempo de respuesta
Frecuencia máxima de
trabajo
Temperatura de trabajo

31

1500VAC
4, 8 ó 16
Hasta 250VAC
1 a 2A
20A por 100ms
3V a 6V
10 a 20ms
20Hz
5 a 55 °C


Salidas lógicas por relé
Este tipo de salidas puede ser utilizado para manejar cargas de
corrientes AC y de corrientes DC, ambas con diversos niveles de
voltaje. Las principales desventajas contra los demás tipos de
salidas son el tiempo de respuesta y el tamaño físico que ocupan
dentro del circuito electrónico.
Como ventaja, la separación eléctrica entre la carga y los circuitos
de control es altamente confiable, ya que los contactos del relevo
nada tiene que ver, con la alimentación o excitación de su bobina.

+V
R2
A ctuador 1

Q2
Señal
TTL

R1
MOV1

Q1
D2

D1
+V
R2
A ctuador 2

Q2
Señal
TTL

R1
MOV1

Q1
D2

D1
+V
R2
A ctuador 3

Q2
Señal
TTL

R1
MOV1

Q1
D2

D1

CO M
V AC ó VD C

32


Características técnicas relacionadas con las salidas
AC

Números de salidas por
módulos
Corriente de salida
Corriente transitoria
Corriente residual
Caída de tensión
Tiempo de respuesta
Frecuencia máxima de
trabajo
Temperatura de trabajo

33

4ó8
1 a 2A
10A durante 40ms
0V
0V
Típico 20ms
1 a 5Hz
5 a 55 °C


Entradas y salidas analógicas
Secuencia recorrida por un autómata durante
procesamiento y generación de señales analógicas.
Selección de canal

Entradas
analógicas

Multiplexor
analógico

Convertidor
A/D

la

captura,

CPU
Autómata

BUS

Multiplexor
digital

Convertidor
D/A

Salidas
analógicas

Por costo y espacio varias Entradas de utilizan un mismo circuito
conversor. Por lo tanto se utiliza un circuito multiplexor.
Los niveles de voltaje y corriente estándares manipuladas por los
autómatas son los siguientes:
Señales de
voltajes
Señales de
corriente

34

De 0 a
5V
De 0 a
10V
De 0 a
20mA
De 4 a
20mA


La conversión A/D y D/A puede ser tan precisa o tan inexacta como
se desee dependiendo de la cantidad de bits utilizados durante el
proceso de conversión. Por lo tanto la resolución es un parámetro
importante a tener en cuenta con los módulos de entradas o salidas
analógicas de un PLC.
8

Con 8 bits podemos representar 2 =
12

Con 10 bits podemos representar 2

256 valores

= 4096 valores

Si tenemos una señal de salida de un transmisor de presión por
ejemplo de 16 mA
Resolución 16 mA / 256 = 0,0256 mA por bit
16mA / 4096 = 0,0039 mA por bit
En la figura se observa una señal analógica y su representación
luego de haber tomado varias muestras durante un ciclo de la
misma. Como puede verse, si se toman más muestras, la señal se
puede reproducir con mayor similitud a la original.

M uestreo m ínim o
V

V

t

V

D os m uestras

O riginal

t

t

R econstrucción

M uestreo m ejorado
V

V

V

t

t
O riginal

O cho m uestras

35

Reconstrucción

t


Entradas Analógicas
Las características técnicas relacionadas con las Entradas
Analógicas son las siguientes

Cantidad de
4 a 16
entradas
Márgenes de
Desde ±25mV hasta ±10V y 0 a 20mA ó 4 a
entrada
20mA
Impedancia de
Desde 50KΩ hasta 10MΩ (entradas de
entrada
voltaje)
Desde 20KΩ hasta 50MΩ (entradas de
corriente)
Resolución
8, 10, 12 ó más bits
Principio de
Por integración, por aproximaciones
conversión
sucesivas o por conversión flash
Tiempo de
1µs, 10µs, 16µs, etc.
conversión
Tensión de
24V, 48V
alimentación
Consumo de
0,1 a 0,3A
corriente

36


Salidas Analógicas
Las características técnicas
Analógicas son las siguientes

relacionadas

con

las

Cantidad de
4 a 16
salidas
Márgenes de
Desde ±5V hasta ±10V y 0 a
salida
20mA ó 4 a 20mA
Impedancia de
Desde 500Ω hasta 1KΩ
salida
(entradas de voltaje)
Desde 300Ω hasta 500Ω
(entradas de corriente)
Resolución
8, 10, 12 ó más bits
Principio de
Red R-2R, escalera binaria.
conversión
Tiempo de
10ms, 15ms, etc..
estabilización
Tensión de
24V, 48V
alimentación

37

Salidas


Existe una relación directa entre la posición física que ocupa la
conexión de la variable en el módulo de entradas o salidas
conectado al autómata y la posición de memoria donde se
almacena el dato, por ejemplo:
v Carga en la memoria imagen de entradas de las entradas digitales
MEMORIA DE ENTRADAS
(Bit)

Cuando se cierra el
interruptor se guarda un
1 en el Bit del Byte 0

MODULO DE
ENTRADAS
DIGITALES

0

7
Byte 0

D

.
.
.
.
.
.
.
.
.

n E0
n E1
n E2
n E3
n E4

0

7

n E5

Byte N

n E6
n E7
n MASA

v Carga en la memoria imagen de entradas de las entradas analógicas
La entrada analógica cero almacena un valor en código binario natural en
el byte cero de la memoria de entrada de byte. Previamente el conversor
analógico/digital transforma a código binario natural la señal de tensión que
estará comprendida en el margen 0-10V.

MEMORIA DE ENTRADAS
(Bit)

+
-

0

EA 0

CONVERSOR
A/D

D

7
D

D

D

D

D

D

D

MASA

0

7

Byte 0

.
.
.
.
.
.
.
.
.
Byte N

38


También existe una relación directa entre la memoria dedicada a la
variable de salida y la posición de las conexiones asociadas a ella
con los módulos de salida.
v Transferencia de los datos contenidos en la memoria de salida a las
salidas digitales

MEMORIA DE SALIDAS
(Bit)
MODULO DE
SALIDAS
DIGITALES

0

7
Byte 0

D

.
.
.
.
.
.
.
.
.

n S0
n S1
n S2
Si el dato almacenado es
un 1, el contacto S1 esta
cerrado

n S3
n S4

0

7

n S5

Byte N

n S6
n S7
n MASA

v Transferencia de los datos contenidos en la memoria de salida a las
salidas analógicas

MEMORIA DE SALIDAS
(Bit)
0

SA 0
0-10V

CONVERSOR
D/A

D

7
D

D

D

D

D

D

D

MASA

0

7

Byte 0

.
.
.
.
.
.
.
.
.
Byte N

39


CICLO DE FUNCIONAMIENTO DEL PLC
A nivel de software ejecuta una serie de rutinas de forma secuencial
• De auto diagnóstico e inicialización
• De procesamiento o ejecución del programa, esta última de
manera cíclica.
Etapa de auto chequeo e inicialización
Al encender un PLC se ejecuta inicialmente una rutina que verifica
ciertos elementos antes de comenzar a ejecutar el programa que
haya elaborado el usuario.
Las rutinas de inicio y de programa de un PLC típico son:
1. Verificación del hardware
• Mal estado de la Fuente de Alimentación, CPU u otros
Módulos Ł indicación de error existente en el panel
frontal
• Estado de la batería de respaldo
• Integridad del programa almacenado en la memoria del
PLC.
2. Inicialización de las imágenes de entradas y salidas
Ya que estas son posiciones de memoria, antes de actualizar
el estado de las entradas y salidas, deben ponerse en "0"
cada una de dichas posiciones.
3. Inicialización de posiciones de memoria
Establecer condiciones iniciales de posiciones de memoria.
Poner en cero ("0") todos los contadores y temporizadores del
sistema.

40


Etapa de auto chequeo e inicialización
I N IC IO

C h e q u e o d e la
CPU

CPU OK?

NO

SI
C hequeo de
RAM

RAM
OK?

NO

SI
C hequeo de
H a rd w a r e

H a rd w a r e
OK?

NO

SI
In ic ia liz a c ió n d e
v a r ia b le s y
t e m p o r iz a d o re s

I n d ic a d o r d e
e rro r

E je c u c ió n d e l
p ro g ra m a d e
u s u a r io

L e c tu r a d e
e n t ra d a s

P ro c e s a m ie n t o
F in

E s c r it u ra e n
la s s a lid a s

41


Etapa de procesamiento o ejecución del programa
Luego de la rutina de inicio, la cual se ejecuta solamente una vez, el PLC
entra en un proceso cíclico que consta básicamente de tres pasos:
1. La lectura de las entradas
2. El procesamiento de la información según el programa del usuario
3. La modificación de las salidas
Encendido del PLC
Actualización del
nivel de voltaje
en las salidas

Lectura de entrada.
Actualización de la
imagen de entrada

Ciclo de
escaneo
Actualización de la
imagen de salida.
Procesamiento de la
información.

Cada ciclo es denominado scan o barrido, y el tiempo de su duración scan time
o tiempo de escaneo.
Finalizado el ciclo de escaneo, el PLC inicia un nuevo ciclo a partir del primer
paso, repitiéndolos una y otra vez mientras se encuentre en operación.
El tiempo de escaneo redunda en la velocidad de procesamiento del PLC y es
afectado por varios factores como son:
I.
II.
III.
IV.

La longitud del programa
LA velocidad del microprocesador
El número de entradas y salidas del PLC
Rutinas de auto chequeo y vigilancia del programa

En un Autómata de mediano desempeño y con un programa de 500
instrucciones, el tiempo de escaneo puede estar alrededor de 10mseg.
Dentro del ciclo de escaneo, además del programa del usuario, también se
ejecutan pequeñas rutinas de chequeo, verificando permanentemente que el
programa esté corriendo de manera adecuada, las cuales generan una alarma
en caso de que el programa del usuario se haya detenido.
Si el programa general se detiene, el PLC puede ejecutar ciertas acciones de
prevención, como desenergizar todas sus salidas, con el fin de proteger los
dispositivos eléctricos involucrados en el proceso y por qué no, la integridad
física de los operarios puesto que las máquinas han podido perder el control.

42


En un sistema de control mediante autómata programable se
tendrán los siguientes tiempos:
1. Retardo de entrada.
2. Vigilancia y exploración de las entradas.
3. Ejecución del programa de usuario.
4. Transmisión de las salidas.
5. Retardo en salidas.
Los puntos 2, 3 y 4 sumados dan como total el tiempo de ciclo
del autómata. Tras este ciclo es cuando se modifican las salidas,
por lo que si varían durante la ejecución del programa tomarán
como valor, el último que se haya asignado.
Esto es así debido a que no se manejan directamente las entradas
y las salidas, sino una imagen en memoria de las mismas que se
adquiere al comienzo del ciclo (2) y se modifica al final de éste
(retardo).
En la etapa de vigilancia se comprueba si se sobrepasó el tiempo
máximo de ciclo, activándose en caso afirmativo la señal de error
correspondiente.

LECTURA
ENTRADAS

EJECUCION

TC
PROGRAMA

ACTIVAR
SALIDAS

43


Ejecución del programa
En función de cómo se efectúe la ejecución o barrido del programa,
se distinguen los siguientes sistemas, modos o estructuras de
programación:
•
•
•
•

Ejecución cíclica lineal
Ejecución con salto condicional
Ejecución con salto a subrrutina
Ejecución con programas paralelos

Ejecución lineal
Cuando el ciclo de barrido de la memoria de usuario se realiza línea
a línea sin solución de continuidad, se dice que la programación es
lineal, y la CPU consulta las instrucciones contenidas en la memoria
secuencialmente, una a continuación de la otra, sin alterar este
orden.
N úm ero
de línea o paso

0000
0001
0002

Instrucción
Instrucción

0003

Instrucción
Instrucción

0004

Instrucción

n-1
n

Instrucción
Instrucción

44


Salto condicional
Cuando el ciclo de ejecución de un programa tiene la posibilidad,
previa condición establecida, de alterar la secuencia línea a línea
del mismo y dar un salto a otras líneas de programa, dejando x
líneas sin ejecutar, se dice que se ha realizado un salto condicional.
Su funcionamiento es el siguiente:
Número
de línea o paso

0000
0001
0002
0003

Instrucción
Instrucción
Instrucción
Instrucción
Instrucción

U
U+1

Salto

V
V+1

n-1

Instrucción

n

Instrucción

Si al llegar en el proceso de ejecución del programa a la instrucción
U, se cumple la condición en ella indicada, se salta a V continuando
el barrido en V+1 hasta n. Si por el contrario al llegar a U no se
cumple la condición, el programa se ejecuta linealmente
continuando en U+1.
Esta posibilidad que poseen muchos Autómatas permite reducir el
tiempo de ejecución del ciclo y es aplicable en aquellos casos en
que las instrucciones contenidas en el salto sólo son necesarias
cuando se dan ciertas condiciones impuestas por el programa.

45


Salto a subrutina
En algunas ocasiones ocurre que en un programa hay uno o
más grupos de secuencias de instrucciones idénticas que se repiten
y que habrá que reescribir tantas veces como éstas se repitan en
dicho programa principal. En estos casos, es muy útil escribir una
sola vez esta secuencia o subrutina, e ir a ella cuando se requiera.
Los Autómatas de gama baja no suelen incorporar esta posibilidad.
Subrutinas
Programa
principal

Nivel 1

Nivel 2

46

Nivel 3


Programas paralelos
En este sistema, utilizado por algunos fabricantes, el
procesamiento se realiza paralelamente y en forma asincrónica. En
aquellos casos en que con un único Autómata se quiera controlar
varios procesos totalmente independientes, este sistema es muy
útil, aunque también se utiliza controlando funciones de un proceso
único. En este tipo de ejecución es posible el uso de subrutinas en
cada programa paralelo.
La ejecución de este tipo de programas se realiza de la siguiente
forma:
Programa de asignacióm de programas paralelos
con las direcciones de comienzo

M0

M1

M2

M3

M4

Cada uno de los tramos en la línea gruesa contiene sólo algunas
líneas de programa, de tal forma que la secuencia consiste en el
procesamiento de, por ejemplo, diez líneas de programa M0, o lo
que es lo mismo, una pequeña parte de un programa; a
continuación el barrido salta al programa M1 para procesar sus diez
primeras líneas, pasando a continuación al M2 realizando el mismo
proceso, etc. Cuando ha barrido todos los programas paralelos,
incluso las subrutinas, si se encuentran adscritas a esas líneas,
vuelve al programa M0 para repetir el ciclo en el siguiente grupo de
diez líneas.
Los Autómatas de gama baja, no suelen incorporar esta posibilidad.
47


LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN
Los lenguajes de programación permiten al usuario generar
rutinas o secuencias, que una máquina pueda entender y ejecutar
de manera automática.
Programa: conjunto de instrucciones, órdenes y símbolos
reconocibles por el autómata que le permiten ejecutar la secuencia
de control deseada.
Lenguaje de programación: conjunto total de estas instrucciones,
órdenes y símbolos.
El software o conjunto de programas son la forma básica de
comunicación, en la cual el operario le indica a la máquina lo que
desea que ella haga.
Para que un PLC pueda realizar algún proceso industrial se debe
introducir un programa que tenga todas las instrucciones que debe
seguir para ejecutar una labor específica.

Tipo

Algebraicos

Gráficos

Lenguajes de
Programación
Lenguajes Booleanos
Lista de Instrucciones
(IL ó AWL)
Lenguajes de Alto Nivel
(Texto estructurado)
Diagrama de contactos
(Ladder)
Plano de funciones
(Símbolos lógicos)
Intérprete GRAFCET

48


INTRODUCCIÓN AL ÁLGEBRA DE BOOLE

Muchos componentes utilizados en sistemas de control,
como contactores y relés, presentan dos estados
claramente diferenciados (abierto o cerrado, conduce o no
conduce). A este tipo de componentes se les denomina
componentes todo o nada o también componentes lógicos.
Para estudiar de forma sistemática el comportamiento de
estos elementos, se representan los dos estados por los
símbolos 1 y 0 (0 abierto, 1 cerrado). De esta forma
podemos utilizar una serie de leyes y propiedades comunes
con independencia del componente en sí; da igual que sea
una puerta lógica, un relé, un transistor, etc...
Atendiendo a este criterio, todos los elementos del tipo todo
o nada son representables por una variable lógica,
entendiendo como tal aquella que sólo puede tomar los
valores 0 y 1.
El conjunto de leyes y reglas de operación de variables
lógicas se denomina álgebra de Boole, ya que fué George
Boole el que desarrolló las bases de la lógica matemática.

Operaciones lógicas básicas
Sea un conjunto formado por sólo dos elementos que designaremos
por 0 y 1. Llamaremos variables lógicas a las que toman sólo los
valores del conjunto, es decir 0 o 1.
En dicho conjunto se definen tres operaciones básicas:
SUMA LOGICA
Denominada también operación "O" (OR). Esta operación responde
a la siguiente tabla:

49


a
0
0
1
1

b
0
1
0
1

a+b
0
1
1
1

PRODUCTO LOGICO
Denominada también operación "Y" (AND). Esta operación
responde a la siguiente tabla:
a
0
0
1
1

b
0
1
0
1

a*b
0
0
0
1

NEGACION LOGICA
Denominada también operación "N" (NOT). Esta operación
responde a la siguiente tabla:
a
0
1

a'
1
0

Otras operaciones lógicas
A partir de las operaciones lógicas básicas se pueden realizar otras
operaciones booleanas, las cuales son:
NAND (AND Negada), cuya tabla correspondiente es
a
0
0
1
1

b
0
1
0
1

(a*b)'
1
1
1
0

50


NOR (OR Negada), cuya tabla correspondiente es
a
0
0
1
1

b
0
1
0
1

(a+b)'
1
0
0
0

XOR, también llamada función OR-EXCLUSIVA. Responde a la
tabla
a
0
0
1
1

b
0
1
0
1

a(+)b
0
1
1
0

Lenguajes Booleanos y lista de Instrucciones (IL ó AWL)
El lenguaje booleano esta constituido por un conjunto de
instrucciones que son transcripción literal de las funciones del
álgebra de Boole o álgebra lógica.
A continuación figura una relación de mnemónicos, con indicación
de lo que representan:
STR: Operación inicio contacto abierto
STR NOT: Operación inicio contacto cerrado
AND (Y): Contacto serie abierto
AND NOT: Contacto serie cerrado
OR(O): Contacto paralelo abierto
OR NOT: Contacto paralelo cerrado
OUT: Bobina de relé de salida

51


Un ejemplo sería:
Ecuación lógica:
X1

X4
Y1
X5

X2

X3

Y1

Esquema de relés

[(X1 • X2) + (X4 • X5) + Y1] X3 = Y1
Nemónicos de la ecuación:
STR NOT X1
AND X2
STR NOT X4
AND X5
OR STR
OR Y1
AND NOT X3
OUT Y1

En una operación normal el Autómata utiliza algunas otras
instrucciones del lenguaje booleano que le permiten manejar
elementos de automatización y que son las siguientes instrucciones
secuenciales:
TMR: Temporizador
CNT: Contador
MCS: Conexión de una función a un grupo de salidas
MCR: Fin de la conexión del grupo de salidas
SFR: Registro de desplazamiento
SET: Activar una variable binaria ( unidad de memoria )
RST: Desactivar una variable binaria

También existen otros tipos de instrucciones como las
siguientes:
DD: Sumar
BB: Restar
MUL: Multiplicar
DIV: Dividir
CMP: Comparar variables digitales
FR: Rotaciones de bits (variables de binarias)
HIFT: Rotaciones de palabras (variables digitales)
52


MOV: Transferencias de datos
CD / BIN: Conversiones de códigos numéricos
END: Fin de programa
JMP: Salto de bloque de programa
MCS: Habilitación de bloque de programa
JMPSUB: Salto a subrutina, etc.
A este lenguaje no se le puede llamar ya booleano,
después de ampliarlo con estas extensiones se lo
denomina Lista de instrucciones
La lista de instrucciones (IL o AWL) es un lenguaje de
bajo nivel. Este lenguaje es adecuado para pequeñas
aplicaciones. En los Autómatas de gama baja, este es el
único modo de programación.

Lenguajes de Alto Nivel (Texto estructurado)
En ellos las instrucciones son líneas de texto que utilizan
palabras o símbolos reservados
SET, AND, FOR, etc.
Las operaciones se definen por los símbolos matemáticos
habituales
+, *, <, >, -, /, etc.
También se dispone de funciones trigonométricas,
logarítmicas y de manipulación de variables complejas
Sen, Cos, pi, real, img, etc.
Sin embargo, lo que distingue realmente estos lenguajes
avanzados de las listas de instrucciones (IL ó AWL) son las
tres características siguientes:

53


1. Son lenguajes estructurados, donde es posible la
programación por bloques con definición de variables
locales o globales.
2. Incluyen estructuras de cálculo repetitivo y condicional
tales como:
a. FOR ... TO
b. REPEAT ... UNTIL X
c. WHILE X...
d. IF ... THEN ...ELSE
3. Disponen de instrucciones de manipulación de
cadenas de caracteres, muy útiles en aplicaciones de
gestión, estadística, etc.
Convenientemente adaptado a las aplicaciones del
Autómata, el BASIC se conoce como el lenguaje de alto
nivel más extendido.
También se pueden encontrar intérpretes o compiladores
de C, PASCAL, FORTRAN, etc., lo que permite resolver
tareas de cálculo científico en alta resolución,
clasificaciones de datos, estadísticas, etc., con total
facilidad, y con acceso además a módulos y subrutinas
específicos ya escritos en estos lenguajes y de uso general
en aplicaciones informáticas.
Dado lo específico de su aplicación un programa escrito en
alto nivel necesita para su edición de una unidad de
programación avanzada o de un software de desarrollo de
programas que corra sobre una computadora.
Adicionalmente, es frecuente que el empleo de estos
lenguajes estructurados obligue además a utilizar no solo
una unidad de programación tipo PC, sino incluso una CPU
especial en el Autómata (coprocesadora), capaz de
interpretar y ejecutar las nuevas instrucciones.

54


En cualquier caso, los lenguajes de alto nivel son
posibilidades adicionales al alcance del programador, que
puede si así lo desea, utilizar solo las formas básicas de
contactos, bloques o lista de instrucciones para escribir sus
aplicaciones: en otras palabras, los lenguajes avanzados
nuca constituyen el lenguaje básico de un Autómata o
familia de Autómatas, papel que queda reservado a la lista
de instrucciones o al diagrama de contactos.
Una ventaja adicional del programa en alto nivel es que a él
se puede transcribir, casi literalmente el diagrama de flujos
que constituye la primera aproximación a la representación
del sistema de control.

Plano de funciones (Símbolos lógicos)
La programación por símbolos lógicos incluye como
bloques normalizados algunas funciones secuenciales
típicas en automatización como:
Temporizadores
Contadores
Bloques combinacionales
Bloques de tratamiento numéricos
Multiplexores
Demultiplexores
Sumadores
Multiplicadores
etc.
Nº menor de funciones que

Las listas de instrucciones
Diagramas de contactos

Debido a esto la programación por símbolos lógicos queda
reservada a aplicaciones en las que solo intervengan
55


variables booleanas todo - nada, y algunos bloques
secuenciales elementales: temporizadores, contadores,
registros de desplazamiento, etc. Si a esto le sumamos que
el usuario habitual del autómata desconoce los símbolos
lógicos Ł
baja difusión de estos lenguajes de
programación.
Todas las funciones AND, OR, XOR, NAND y NOR tienen
tres entradas y una salida.
Si se desea realizar operaciones con más de tres entradas,
se conectan varios bloques en cascada

&

Q
&
Q

La función inversora, NOT, tiene una entrada y una salida,
y la función OR exclusiva (XOR) posee dos entradas y una
salida.

&

≥1

1

AND

&

NAND

OR

≥1

NOR

NOT

=1

XOR

56


Un ejemplo de los lenguajes vistos hasta ahora es:

X1
X1

&

X4
Y1
X2

≥1

&

X5

=1

X2
X4
X3

&

Esquema de relés

Plano de funciones

X5
Y1
Y1
X3

Ecuación lógica:

[(X1 • X2) + (X4 • X5) + Y1] X3 = Y1
Nemónicos de la ecuación:
STR NOT X1
AND X2
STR NOT X4
AND X5
OR STR
OR Y1
AND NOT X3
OUT Y1

57

Y1

Apunte plc

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