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PLC & Autómatas Programables

Editorial Director Ing. Horacio D. Vallejo Producción José María Nieves (Grupo Quark SRL) Selección y Recopilación de esta Obra: Ing. Horacio Daniel Vallejo [email protected] SOBRE APORTES DEL CLUB SE, MONOGRAFÍAS Y LA REVISTA SABER ELECTRÓNICA Coordinación: Ing. Ismael Cervantes de Anda EDITORIAL QUARK S.R.L. Propietaria de los derechos en castellano de la publicación mensual SABER ELECTRÓNICA - San Ricardo 2072 (1273) - Capital Federal - Buenos Aires - Argentina - T.E. 4301-8804 Administración y Negocios Teresa C. Jara (Grupo Quark SRL) Patricia Rivero Rivero (SISA SA de CV) Margarita Rivero Rivero (SISA SA de CV) Staff Liliana Teresa Vallejo Mariela Vallejo Diego Vallejo Luis Alberto Castro Regalado (SISA SA de CV) José Luis Paredes Flores (SISA SA de CV) Sistemas: Paula Mariana Vidal Red y Computadoras: Raúl Romero Video y Animaciones: Fernando Fernández Legales: Fernando Flores Contaduría: Fernando Ducach Técnica y Desarrollo de Prototipos: Alfredo Armando Flores Atención al Cliente Alejandro Vallejo [email protected] Internet: www.webelectronica.com.mx Publicidad: Rafael Morales [email protected] Club SE: Grupo Quark SRL [email protected] Editorial Quark SRL San Ricardo 2072 (1273) - Capital Federal www.webelectronica.com.ar

La Editorial no se responsabiliza por el contenido de las notas firmadas. Todos los productos o marcas que se mencionan son a los efectos de prestar un servicio al lector, y no entrañan responsabilidad de nuestra parte. Está prohibida la reproducción total o parcial del material contenido en esta revista, así como la industrialización y/o comercialización de los aparatos o ideas que aparecen en los mencionados textos, bajo pena de sanciones legales, salvo mediante autorización por escrito de la Editorial. Impresión: Talleres Babieca - México

Del Editor al Lector Los Controles Lógicos Programables (PLC por sus siglas en inglés) sustituyeron a los dispositivos electromagnéticos de control automático industrial, incrementando con esta acción condiciones óptimas para que los procesos alcancen niveles de confiabilidad y eficiencia muy altos. Los PLCs fueron introducidos en la década de 1970 y aún a la fecha se siguen empleando, a pesar de que la tendencia siguiente es que sean sustituidos por computadoras industriales. Mientras esto no suceda, y según nuestras expectativas, los PLCs continuarán empleándose aún como una pequeña extensión de las computadoras industriales, será necesario que se cuente con personal que entienda tanto a programarlos, como a realizar cambios en los programas ya creados. Esta obra, la cuarta de la colección Saber Electrónica, está destinada a personas con conocimientos de programación principalmente en “lenguaje escalera” (también conocido como diagrama de contactos), además de conocimientos eléctricos en general, ya que el PLC tiene que ser conectado tanto con sensores, como con elementos de potencia (actuadores). Aunque los PLCs de diferentes marcas y modelos, pueden tener internamente diversos microcontroladores, y cada uno de éstos son incompatibles entre sí, el ambiente de programación es el que hace que se logre la compatibilidad entre todos los PLCs. Este ambiente de programación es el “lenguaje escalera”, que una vez creado se puede ingresar a un PLC de una marca, como a otro de marca totalmente distinta, y ambos realizarán la misma actividad. Nuestro objetivo es que el lector pueda aprender a realizar programas en lenguaje escalera, y para ello se cuenta con una distribución ordenada concienzudamente, para que al ir avanzando con la lectura del libro, el lector sea capaz de ir dominando las diferentes técnicas que se recomiendan para programar un PLC. También le proponemos el armado de un PLC pequeño y otro de mayores prestaciones, fáciles de montar y programables bajo un ambiente gratuito. Esperamos que lo explicado sea de su agrado y recomendamos que descargue los discos sugeridos ya que su contenido le permitirá afianzar sus conocimientos. ¡Hasta el mes próximo!

SOBRE LOS 2 CDS Y SU DESCARGA Ud. podrá descargar de nuestra web el CD: “Curso de PLCs” y 1 VCD “Proyectos con PLC” que contienen Cursos, Videos, Tutoriales, Proyectos, etc. Todos los CDs son productos multimedia completos con un costo de mercado equivalente a 8 dólares americanos cada uno y Ud. los puede descargar GRATIS con su número de serie por ser comprador de este libro. Para realizar la descarga deberá ingresar a nuestra web: www.webelectronica.com.mx, tendrá que hacer clic en el ícono password e ingresar la clave “PLCCSE91”. Tenga este texto cerca suyo ya que se le hará una pregunta aleatoria sobre el contenido para que pueda iniciar la descarga.

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PLC & Autómatas Programables PLC & AUTÓMATAS PROGRAMABLES

SUMARIO

Funciones Lógicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33 CAPÍTULO 1: Los Temporizadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33 PLC: CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES QUÉ SON, CÓMO SE USAN, ARQUITECTURA . . . .3 Los Contadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 Breve Historia de los PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

Monoestables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36

Componentes de un PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 Unidad Central de Proceso . . . . . . . . . . . . . . . . .9 La Memoria del PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13 Módulos de Entrada y Salida de Datos . . . . . . .14

Operaciones de Comparación . . . . . . . . . . . . .37

Las Operaciones Aritméticas

. . . . . . . . . . . . . .36

Instrucciones SET Y RESET . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 Programación en Lenguaje Ladder . . . . . . . . . .38 Ejemplo de Programación . . . . . . . . . . . . . . . .39

CAPÍTULO 2: CAPÍTULO 4: LÓGICA CABLEADA & PLC EDICIÓN DE PROGRAMAS Y SIMULACIÓN . . . . . . . . . . . .41 LÓGICA CABLEADA INDUSTRIAL . . . . . . . . . . .15 Interpretación de la Lógica Cableada . . . . . . .16 Barras de Polaridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18 Servicios Esenciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19 Los Montajes con Lógica Cableada . . . . . . . . .19 Los Relés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19 Contactos “Normal Abierto” y “Normal Cerrado 20 Funciones Lógicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41

Cómo se Usa el Programa Mi PLC . . . . . . . . . . .41

CAPÍTULO 5: EJEMPLOS DE PROGRAMACIÓN EN LADDER . . . .49 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49 Contacto normalmente abierto (NA) . . . . . . . . .50

Relé Automantenido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20 Temporización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21 Señalización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21 Enclavamientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22 Comando Secuencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22 Los Controladores Lógicos Programables . . . . .22 Unidad Central de Proceso . . . . . . . . . . . . . . . .24

Contacto normalmente cerrado (NC) . . . . . . . .50 Función Lógica AND (Y) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51

Memoria del Controlador . . . . . . . . . . . . . . . . .24 Interfaces de Entrada Salida . . . . . . . . . . . . . . .25 Fuente de Alimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . .26 Ciclo de Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . .26 Imagen del Proceso de las Entradas y Salidas .27 Programación del PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27

CAPÍTULO 6 PLC MICROCONTROLADO CON ENTRADAS ANALÓGICAS . . . . . . . . . . . .63

CAPÍTULO 3: EL LENGUAJE LADDER

Función Lógica OR (O) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52 Función Lógica Inversora (NOT) . . . . . . . . . . . . .52 Función Lógica No Inversora . . . . . . . . . . . . . . .53 Funciones Combinadas y Ejemplos Prácticos . .53

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63 Etapa de Entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65 La Etapa de Entrada Analógica . . . . . . . . . . . .66 La Etapa de Salida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69

ESCALERA . . . . . . .31

La Etapa de Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31 Los Contactos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32 Relés Internos o Marcas . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

Montaje del PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70

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Programación del PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72 PLC de 3 Entradas y 2 Salidas . . . . . . . . . . . . . .76

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Cap ítulo 1 Los Controladores Lógicos Programables o PLC (Programmable Logic Control) son automatismos “normalizados” que poseen una unidad central de proceso, que es el corazón del PLC y que recibe datos de dispositivos conectados a las entradas de dicho PLC (sensores), procesa dichos datos en función del programa contenido en la CPU y arroja los resultados a las salidas del PLC, donde hay actuadores (relés, triacs, sistemas de arranque, etc.).

PLC:

CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES

QUÉ SON, CÓMO

SE

USAN, ARQUITECTURA

En base a la definición dada más arriba, podríamos decir que una central de alarma es un PLC ya que tiene zonas de entrada y de salida y un programa grabado en un microcontrolador de la central; sin embargo, dicha central NO ES UN PLC, ya que para que lo sea debe cumplir con determinados requisitos como son: 1) Debe poseer bloques de entradas aisladas de la CPU. 2) Tiene que incluir bloques de salida con “buffers” (aislados de la CPU y que manejen potencia). 3) Se debe poder programar por medio de cursos de programación estándar (funciones, instrucciones y lenguaje de contactos o escalera establecidos en la norma IEC 61131-3). 4) Se debe poder reemplazar por un PLC de otra marca y similares características. En base a lo dicho, puedo utilizar un PLC como central de alarma, ya que es posible programar su CPU para que “lea” los datos de los sensores conectados a las entradas (detector de movimientos, detector exterior por microondas, sensores magnéticos conectados en las aberturas, etc.) y cuando detecta una intromisión, activa una o varias salidas en las que pueden estar conectados sistemas sonoros de aviso, discadores telefónicos, etc. Ese mismo PLC podrá ser utilizado en aplicaciones industriales, ya sea para controlar automáticamente una máquina herramienta o para controlar la seguridad de un entorno de trabajo. En este capítulo explicaremos qué es un PLC, cómo funciona y cuál es su arquitectura básica.

Capítulo 1

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PLC & Autómatas Programables INTRODUCCIÓN

Figura 1

El funcionamiento del sistema de un PLC es simple y directo, el procesador central o CPU completa tres procesos: 1) Escanea o lee datos de los dispositivos de entrada. 2) Ejecuta o "resuelve" la lógica del programa y las actualizaciones. 3) Escribe, a los dispositivos de salida. En la figura 1 se puede apreciar el diagrama funcional de un PLC en que se puede apreciar que existe una unidad de proceso central o CPU que puede ser programada por medio de un dispositivo

que pueden ser utilizados por la CPU y escribe estos

externo al PLC y que, en base al programa cargado, lee los datos recibidos desde sensores conectados a las entradas, procesa dicha información y entrega los resultados a los actuadores conectados a las salidas del PLC.

valores en la tabla de entrada establecida en el programa grabado en la CPU. El programa de aplicación se ejecuta, y escribe los valores obtenidos en la tabla de

Para que el PLC sea útil, primero debe tener un programa lógico “cargado” para que la CPU lo ejecute. Un ingeniero en sistemas o un programador de PLC primero creará la lógica del programa en un dispositivo de programación (en estos días por lo general es un software

con el mundo real (se enciende un motor, se abre una válvula, etc.). Este proceso de lectura de entradas, ejecución de la lógica de control y la escritura de salidas suele

que se ejecuta en una computadora portátil). Esta lógica se puede escribir en lógica escalera (ladder o lógica de contactos), lista de instrucciones (generalmente en len-

salida. A continuación, el sistema de salida convierte el valor de esta tabla de salida a un cambio compatible

denominarse en el mundo técnico como “barrido” o

guaje Basic), gráficas de funciones secuenciales (compuertas lógicas), o cualquiera de los lenguajes IEC. El programador descarga el programa al PLC, esto se hace generalmente conectando temporalmente el programador al PLC. Una vez que el programa está ins-

“Scan PLC”, figura 2.

talado o cargado en la CPU del PLC, normalmente no es necesario que él permanezca conectado. Una vez que el programa se encuentra en la CPU, el

en las salidas. Es importante entender la lógica del programa, ya que se puede

PLC se establece en "ejecutar" y ejecuta el programa de aplicación en varias ocasiones. Además de la ejecución del programa, la CPU lee regularmente el estado de los dispositivos de entrada, y envía los datos a los dispositivos de salida. El sistema

almacena en la memoria. Al mismo tiempo que el PLC ejecuta la lógica, también puede leer y almacenar los

detecta el estado de las entradas del mundo real (un interruptor, un sensor de nivel, etc.), los traduce a valores

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La CPU lee continuamente las entradas, resuelve la lógica, y escribe

Figura 2 escribir como una serie de estructuras lógicas consecutivas. El programa de control o programa de aplicación se

valores en la memoria. Los valores también se pueden usar por el programa de aplicación.

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PLC & Autómatas Programables BREVE HISTORIA DE LOS PLC

Figura 3

La llegada de los PLC al mundo de la electrónica se inició en los años 1960 y 1970 para reemplazar los tradicionales controles "cableados" y, desde entonces, se ha convertido en la opción predominante para controles industriales. Antes de los PLC, gran parte del control de las máquinas herramientas se basaba en contactos y relés que proporcionaban una “lógica cableada” de los controles de la máquina. Los cambios en la lógica significaban mano de obra intensiva y costosa. En 1968, la división GM “Hydramatic” especificó los criterios de diseño para lo que sería el primer controlador lógico programable. Pidieron un sistema de estado sólido que haría lo siguiente: 1) Ser compatible en el ambiente industrial. 2) Ser fácilmente programados por ingenieros de planta y técnicos. 3) Ser fácilmente reprogramado y reutilizado en otros ámbitos.

tes en dicha época. El resultado fue el empleo de un lenguaje de programación llamado lógica de escalera de relé o simplemente "lógica de escalera", conocido en el mundo de la electromecánica como “lógica de contactos”. El diseño de la lógica de escalera es, por lo tanto, muy similar a la lectura de los diagramas para los controles hechos con relés. KOP fue uno de los primeros lenguajes, figura 4 y hoy sigue siendo uno de los más populares para la programación de PLC, aunque se han desarrollado muchos otros a lo largo de los años.

La propuesta ganadora vino de Bedford Asociado que introdujo el Controlador Modular Digital (MODICON).

COMPONENTES

MODICON sigue siendo una marca popular de PLC hoy en día, pero es propiedad de Schneider Electric. En la

Para describir las partes que integran a un PLC es

figura 3 podemos observar la imagen de un PLC actual de dicha empresa, el MODICON 340 PLC, diseñado para aplicaciones medianas, que representa una síntesis de potencia e innovación y ofrece buenas respuestas a las distintas necesidades. El procesador cuenta

DE UN

PLC

imperante definir que todo sistema de control automático posee tres etapas que le son inherentes e imprescindibles, éstas son: 1) Etapa de acondicionamiento de señales.- Está

con 4MB de RAM interna para gestionar aplicaciones de hasta 70K de instrucciones, incluye una tarjeta de memoria Flash SD para la copia de seguridad de aplicaciones lo que elimina la necesidad de una batería auxiliar. Tiene 512 a 1028 Entradas/Salidas Digitales, 128 a 256 Entradas/Salidas Analógicas y 20 a 36 Vías Específicas de Conteo. Continuando con esta breve historia, debemos decir que la industria del automóvil era un adoptante temprano importante de controladores lógicos programables (PLC). Ellos querían un método de programación que pudiera ser fácilmente comprendido por los ingenieros y técnicos que empleaban los controles existen-

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Figura 4

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PLC & Autómatas Programables integrada por toda la serie de

Figura 5

sensores que convierten una variable física determinada a una señal eléctrica, interpretándose ésta como la información del sistema de control. 2) Etapa de control.- Es en donde se tiene la información para poder llevar a cabo una secuencia de pasos; dicho de otra manera, es el elemento de gobierno. 3) Etapa de potencia.- Sirve para efectuar un trabajo que siempre se manifiesta por medio de la transformación de un tipo de energía a otro tipo. La unión de los tres bloques nos da como resultado un sistema de control automático completo, pero se debe considerar que se requiere de interfaces entre las conexiones de cada etapa para que el flujo de información circule de forma segura entre éstas. Los sistemas de control pueden concebirse bajo dos opciones de configuración: 1) Sistema de control de lazo abierto.- Es cuando el sistema de control tiene implementado los algoritmos correspondientes para que, en función de las señales de entrada, se genere una respuesta considerando los márgenes de error que pueden representarse hacia las señales de salida, figura 5. 2) Sistema de control de lazo cerrado.- Es cuando se tiene un sistema de control que responde a las señales de entrada, y a una proporción de la señal de salida, para de esta manera corregir el posible error que se pudiera inducir. En este sistema de control la retroalimentación es un parámetro muy importante, ya que la variable física que se está controlando se mantendrá siempre dentro de los rangos establecidos, figura 6. Idealmente todos los sistemas de control deberían diseñarse bajo el concepto de lazo cerrado, porque la variable física que se está interviniendo en todo

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