2. Hardware del PLC

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Electricidad y Electrónica

2. HARDWARE DEL PLC

OBJETIVO Establecer estructura y principio de funcionamiento de un PLC

Establecer las características y conexionado de los modulos entrada y salida

2.1.

Estructura física externa del PLC

La estructura física del PLC se refiere al aspecto físico exterior del mismo, los bloques en los que está dividido, etc. 2.1.1.

Compactos

• En un mismo empaquetado poseen la fuente de alimentación, CPU y E/S. • Permiten ampliaciones por medio de módulos.

• Diseñados para

proyectos de

mediana envergadura.

• Su precio de mercado es reducido. • Aplicaciones en el que el número de entradas y salidas es pequeño poco variable.

• Carcasa de carácter estanco, que permite su industriales especialmente hostiles.

empleo en ambientes

2.1.

Estructura física externa del PLC

La estructura física del PLC se refiere al aspecto físico exterior del mismo, los bloques en los que está dividido, etc. 2.1.1. semimodular • Se caracteriza por separar las E/S del resto del autómata, de tal forma que en un bloque compacto están reunidas las CPU, memoria de usuario o de

programa y fuente de alimentación y separadamente las unidades de E/S .

• Son los autómatas de gama media los que suelen tener una estructura semimodular (Americana). .

2.1.

Estructura física externa del PLC

2.1.2. Modulares • Se divide en módulos. • Poseen un rack para la conexión de módulos. • Pueden manejar gran cantidad de entradas y salidas. • La CPU y fuente de alimentación se encuentran separadas. • Diseñados para grandes proyectos. • Su precio de mercado es elevado. • Permite adaptarse a necesidades del diseño y a las posteriores actualizaciones. • Funcionamiento parcial del sistema frente a averías localizadas, y una rápida reparación con la simple sustitución de los módulos averiados.

2.2

Características de los módulos de un PLC

▪ Los PLC modulares se caracterizan por tener una amplia gama de aplicaciones, gracias a que su estructura es ampliamente configurable. ▪ El usuario tiene así gran flexibilidad para diseñar el sistema de automatización, conforme a sus exigencias. ▪ El acceso a través de Ethernet, por ejemplo, es absolutamente esencial para muchas aplicaciones. ▪

Una comunicación eficaz entre los PLC, por un lado, e intercambio de datos a través de estándares de comunicación como OPC, por el otro

2.2

Características de los módulos de un PLC

a) CPU La Unidad Central de Procesos es el cerebro del sistema. En ella se ejecuta el programa de control del proceso, el cual fue cargado por medio de la consola de programación, luego, 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

2.2

Características de los módulos de un PLC

b) Fuente de alimentación ➢ La fuente de alimentación proporciona las tensiones necesarias para el funcionamiento de los distintos circuitos del sistema. ➢ La alimentación a la CPU puede ser de continua a 24 Vcc, tensión muy frecuente en cuadros de distribución, o en alterna a 110/220 Vca. En cualquier caso es la propia CPU la que alimenta las interfaces conectadas a través del bus interno. ➢ La alimentación a los circuitos E/S puede realizarse, según tipos, en alterna a 48/110/220 Vca o en continua a 12/24/48 Vcc. ➢ La fuente de alimentación del autómata puede incorporar una batería tampón, que se utiliza para el mantenimiento de algunas posiciones internas y del programa usuario en memoria RAM, cuando falla la alimentación o se apaga el autómata.

2.2

Características de los módulos de un PLC

c) Módulo de entradas La sección de entradas mediante el interfaz, adapta y codifica de forma comprensible para la CPU las señales procedentes de los dispositivos de entrada o captadores. Hay dos tipos de entradas:

➢ Entradas digitales: Los módulos de entrada digitales permiten conectar al autómata captadores de tipo todo o nada como finales de carrera pulsadores... Los módulos de entrada digitales trabajan con señales de tensión, por ejemplo cuando por una vía llegan 24 voltios se interpreta como un "1" y cuando llegan cero voltios se interpreta como un "0" El proceso de adquisición de la señal digital consta de varias etapas. ▪ Protección contra sobretensiones ▪ Filtrado ▪ Puesta en forma de la onda ▪ Aislamiento galvánico

2.2

Características de los módulos de un PLC

c) Módulo de entradas ➢ Entradas analógicas: Los módulos de entrada analógicas permiten que los autómatas programables trabajen con accionadores de mando analógico y lean señales de tipo analógico como pueden ser la temperatura, la presión o el caudal. Los módulos de entradas analógicas convierten una magnitud analógica en un numero que se deposita en una variable interna del autómata. Lo que realiza es una conversión A/D, puesto que el autómata solo trabajar con señales digitales. Esta conversión se realiza con una precisión o resolución determinada (numero de bits) y cada cierto intervalo de tiempo (periodo muestreo). Los módulos de entrada analógica pueden leer tensión o intensidad. El proceso de adquisición de la señal analógica consta de varias etapas: ▪ Filtrado

▪ Conversión A/D ▪ Memoria interna

2.2

Características de los módulos de un PLC

d) Modulo de salida La sección de salida también mediante interfaz trabaja de forma inversa a las entradas, es decir, decodifica las señales procedentes de la CPU, y las amplifica y manda con ellas los dispositivos de salida o actuadores como lámparas, relés. Aquí también existen unos interfaces de adaptación a las salidas de protección de circuitos internos. Hay dos tipos de salidas: ➢ Salida Digital: ▪ Un módulo de salida digital permite al autómata programable actuar sobre los preaccionadores y accionadores que admitan ordenes de tipo todo o nada. ▪ El valor binario de las salidas digitales se convierte en la apertura o cierre de un relé interno del autómata en el caso de módulos de salidas a relé. ▪ En los módulos estáticos (bornero), los elementos que conmutan son los componentes electrónico como transistores o triacs, y en los módulos electromecánicos son contactos de relés internos al módulo. ▪ Los módulos de salidas estáticos al suministrar tensión, solo pueden actuar sobre elementos que trabajan todos a la misma tensión, en cambio los módulos de salida electromecánicos, al ser libres de tensión, pueden actuar sobre elementos que trabajen a tensiones distintas. El proceso de envío de la señal digital consta de varias etapas: Puesta en forma, Aislamiento, circuito de mando, protección electrónica, tratamiento de cortocircuitos.

2.2

Características de los módulos de un PLC

d) Modulo de salida ➢ Salida analógica: ▪ Los módulos de salida analógica permiten que el valor de una variable numérica interna del autómata se convierta en tensión o intensidad. ▪ Lo que realiza es una conversión D/A, puesto que el autómata solo trabaja con señales digitales. Esta conversión se realiza con una precisión o resolución determinada (numero de bits) y cada cierto intervalo de tiempo (periodo muestreo). ▪ Esta tensión o intensidad puede servir de referencia de mando para actuadores que admitan mando analógico como pueden ser los variadores de velocidad, las etapas de los tiristores de los hornos, reguladores de temperatura... permitiendo al autómata realiza funciones de regulación y control de procesos continuos. El proceso de envío de la señal analógica consta de varias etapas: ✓ Aislamiento galvánico ✓ Conversión D/A ✓ Circuitos de amplificación y adaptación ✓ Protección electrónica de la salida

2.2

Características de los módulos de un PLC

Obs

Dispositivos típicos de entrada

2.2

Características de los módulos de un PLC

Obs

Dispositivos típicos de salida

Estructura interna de un PLC

2.3

Cuando se hace referencia a la frase de “Arquitectura interna” de un PLC se refiere a los componentes, hardware o circuitería electrónica que lo componen, así como el funcionamiento de cada uno de ellos. Dentro de los elementos a destacar se encuentra: ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢

RAM ROM Microprocesador Memoria extraíble Bus de comunicación Interfaz de comunicación

2.3

Estructura interna de un PLC

➢ RAM : Random Access Memory (‘memoria de acceso aleatorio’) Es fácil de modificarla y su información se borra una vez se quita la alimentación. Se dice que es una memoria de aplicación, ya que en ésta se ubica el programa de usuario, pudiendo ser modificada cuando se quiera.

➢ ROM : Read Only Memory (‘memoria de solo lectura’) Es una memoria de solo lectura, que contiene el sistema operativo con que opera el controlador, por lo tanto NO SE BORRA. Esta memoria es programada por el fabricante del PLC para ejecutar las instrucciones.

➢ Microprocesador: µP Un microprocesador es sólo un componente de un dispositivo electrónico y requiere circuitos adicionales, memoria y el firmware o el software para poder funcionar.

➢ Bus de comunicación ✓ Los buses de datos que permiten la integración de equipos para la medición y control de variables de proceso, reciben la denominación genérica de buses de campo. ✓ Un bus de campo es un sistema de transmisión de información (datos) que simplifica enormemente la instalación y operación de máquinas y equipamientos industriales utilizados en procesos de producción. El objetivo de un bus de campo es sustituir las conexiones punto a punto entre los elementos de campo y el equipo de control a través del tradicional lazo de corriente de 4-20mA o 0 a 10V DC, según

2.3

Estructura interna de un PLC

➢ Bus de comunicación ✓ El objetivo de un bus de campo es sustituir las conexiones punto a punto entre los elementos de campo y el equipo de control a través del tradicional lazo de corriente de 4-20mA o 0 a 10V DC, según corresponda. Generalmente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie, que conectan dispositivos de campo como PLC’s, transductores, actuadores, sensores y equipos de supervisión. ✓ Varios grupos han intentado generar e imponer una norma que permita la integración de equi pos de distintos proveedores. Sin embargo, hasta la fecha no existe un bus de campo universal. Los buses de campo con mayor presencia en el área de control y automatización de procesos son:

Otros de menor alcance son:

2.3

Estructura interna de un PLC

➢ Interfaz de comunicación ✓ Las interfaces de comunicación serial son elementos que permiten la transmisión de información de un equipo de datos (DTE) hacia un MÓDEM o hacia el medio de transmisión por el cual va a comunicarse con otro equipo de datos (DTE). ✓ La transmisión de datos vía este medio, están sujetos a estándares internacionales para asegurar la compatibilidad entre equipos de diferentes fabricantes. ✓ Una consideración primaria a nivel de campo es que las líneas de transmisión de datos son económicas y sencillas. ✓ El tipo de interface estándar en el nivel de campo industrial es serial. Los bajos costos de instalación (cables y conectores), grandes longitudes de los cables y la seguridad de la información compensan las bajas velocidades transmisión que la caracterizan. Las siguientes interfaces seriales son las de mayor aplicación industrial: RS – 232 –C

RS – 422

RS – 485

2.4 2.4.1

Principio de funcionamiento de un PLC Barrido de programa. Scan del PLC

• Todos los PLC trabajan en forma cíclica. Durante su funcionamiento, es decir, cuando la CPU se encuentra en modo RUN, primero se leen los estados de las entradas, almacenándose los mismos en un área de memoria denominada imagen de proceso de las entradas. • Con esta información trabaja luego el programa de control cuando se ejecuta. De acuerdo a la lógica definida en el programa, se modifica el estado de las salidas depositadas en la imagen de proceso de las salidas. • En la última etapa del ciclo, los estados memorizados en la imagen de proceso de las salidas se transfieren a las salidas físicas.

Funcionamiento cíclico del PLC

2.4

Principio de funcionamiento de un PLC

Fases del ciclo, barrido o Scan del PLC

2.4

Principio de funcionamiento de un PLC

El tiempo de ejecución de un ciclo SCAN dependerá de:

• Tamaño del programa de usuario. •

Velocidad de procesamiento de la CPU.

• Tiempo de autodiagnósitco. • Cantidad de entradas y salidas conectadas.

• Tiempo de comunicación con periféricos. • Tiempo de comunicación mediante redes. • etc ...

2.5

Estructura interna de un PLC

Bloques internos que componen un PLC.

3

Modos de operación

Las CPU poseen dos modos de operación, conocidos como STOP y RUN: •STOP: La CPU no ejecuta el programa. Algunos modelos de PLC necesitan ser colocados en este modo para cargar o modificar programas, o bien para configurar la CPU. •RUN: En este modo la CPU ejecuta el programa de usuario. Pero también existen otros modos de operación en los PLCs, estos son: •Online: La programación se realiza directamente sobre la memoria del PLC, de manera que cualquier cambio que se realice sobre el programa afectará directamente al procesador, y con ello a la planta que controla. Este método es de gran utilidad para el programador experto y el personal de mantenimiento ya que permite realizar modificaciones en tiempo real y sin necesidad de parar la producción. •Offline: Consiste en realizar el programa sobre un ordenador, sin necesidad alguna de acceder al PLC para posteriormente una vez acabado y verificado el programa descargarlo en el procesador. Este hecho dota al programador de gran independencia a la hora de realizar el trabajo.

3

Modos de operación

Ubicación del selector del modo de operación en un PLC Siemens de la línea S7-200