Resumen de conocimientos sobre PLC: ¡Lectura esencial para ingenieros eléctricos!
Resumen de conocimientos sobre PLC: ¡Lectura esencial para ingenieros eléctricos!
I. Definición y Clasificación de PLC
PLC, o controlador lógico programable, es una nueva generación de dispositivos de control industrial universales. Se basa en microprocesadores e integra tecnología informática, tecnología de control automático y tecnología de comunicación. Diseñados para entornos industriales, los PLC cuentan con una programación fácil de entender utilizando un "lenguaje natural" orientado a los procesos de control y a los usuarios. Se caracterizan por su simplicidad, facilidad de operación y alta confiabilidad.
Los PLC, que evolucionaron a partir del control secuencial de relés, se centran en microprocesadores y sirven como dispositivos de control automático versátiles. Profundicemos en los detalles:
1. Definición
Un PLC es un sistema electrónico digital diseñado para aplicaciones industriales. Utiliza una memoria programable para almacenar instrucciones para operaciones como cálculo lógico, control secuencial, temporización, conteo y aritmética. Al interactuar con entradas y salidas digitales y analógicas, los PLC controlan diversos equipos mecánicos y procesos de producción. Tanto los PLC como sus dispositivos periféricos están diseñados para integrarse perfectamente con los sistemas de control industrial y facilitar la expansión funcional.
2. Clasificación
Los productos PLC vienen en una amplia variedad con diferentes especificaciones y capacidades de rendimiento. Se clasifican ampliamente según la forma estructural, las diferencias funcionales y el número de puntos de E/S.
2.1 Clasificación por forma estructural
Los PLC se pueden clasificar en tipos integrales y modulares según su forma estructural.
(1) PLC integral
Los PLC integrales albergan componentes como la fuente de alimentación, la CPU y las interfaces de E/S dentro de un solo gabinete. Son conocidos por su estructura compacta, tamaño pequeño y asequibilidad. Los PLC de pequeño tamaño suelen adoptar esta estructura integral. Un PLC integral consta de una unidad básica (también conocida como unidad principal) con diferentes puntos de E/S y una unidad de expansión. La unidad básica contiene la CPU, interfaces de E/S, un puerto de expansión para conectarse a unidades de expansión de E/S e interfaces para conectarse a un programador o escritor EPROM. La unidad de expansión, por el contrario, sólo contiene componentes de E/S y fuente de alimentación, sin CPU. La unidad básica y la unidad de ampliación suelen estar conectadas mediante un cable plano. Los PLC integrales también pueden equiparse con unidades de funciones especiales, como unidades analógicas y unidades de control de posición, para ampliar sus capacidades.
(2) PLC modular
Los PLC modulares cuentan con módulos separados para cada componente, como módulos de CPU, módulos de E/S, módulos de fuente de alimentación (a veces integrados dentro del módulo de CPU) y varios módulos de funciones. Estos módulos se montan en una estructura o placa posterior. La ventaja de los PLC modulares radica en su configuración flexible, que permite la selección de diferentes escalas del sistema según sea necesario. También son fáciles de montar, ampliar y mantener. Los PLC de tamaño mediano y grande generalmente adoptan una estructura modular.
Además, algunos PLC combinan las características de los tipos integral y modular, formando lo que se conoce como PLC apilado. En los PLC apilados, componentes como la CPU, la fuente de alimentación y las interfaces de E/S son módulos independientes conectados mediante cables y se pueden apilar capa por capa. Este diseño no sólo ofrece una configuración flexible del sistema sino que también permite un tamaño compacto.
2.2 Clasificación por función
Según sus capacidades funcionales, los PLC se pueden dividir en tres categorías: gama baja, gama media y gama alta.
(1) PLC de gama baja
Los PLC de gama baja poseen funciones básicas como operaciones lógicas, sincronización, conteo, cambios, autodiagnóstico y monitoreo. También pueden incluir una cantidad limitada de entradas/salidas analógicas, operaciones aritméticas, transferencia y comparación de datos y funciones de comunicación. Estos PLC se utilizan principalmente para sistemas de control de una sola máquina que involucran control lógico, control secuencial o una pequeña cantidad de control analógico.
(2) PLC de gama media
Además de las funciones de los PLC de gama baja, los PLC de gama media ofrecen capacidades más sólidas en entrada/salida analógica, operaciones aritméticas, transferencia y comparación de datos, conversión de sistemas numéricos, E/S remotas, subrutinas y redes de comunicación. Algunos también pueden incluir funciones de control de interrupciones y control PID, lo que los hace adecuados para sistemas de control complejos.
(3) PLC de alta gama
Los PLC de gama alta, además de las capacidades de los PLC de gama media, incluyen funciones avanzadas como operaciones aritméticas con signo, cálculos matriciales, operaciones lógicas de bits, cálculos de raíces cuadradas y otras operaciones de funciones especiales. También cuentan con capacidades de creación y transferencia de tablas. Los PLC de alta gama cuentan con funcionalidades mejoradas de comunicación y redes, lo que permite el control de procesos a gran escala o la formación de sistemas de control de redes distribuidas, logrando así la automatización de las fábricas.
2.3 Clasificación por puntos de E/S
Dependiendo del número de puntos de E/S, los PLC se pueden clasificar en categorías pequeñas, medianas y grandes.
(1) PLC pequeño
Los PLC pequeños tienen menos de 256 puntos de E/S, cuentan con una única CPU y utilizan procesadores de 8 o 16 bits. Su capacidad de memoria de usuario suele ser inferior a 4 KB.
(2) PLC mediano
Los PLC medianos tienen entre 256 y 2048 puntos de E/S, emplean CPU duales y tienen una capacidad de memoria de usuario que oscila entre 2 KB y 8 KB.
(3) PLC grande
Los PLC grandes cuentan con más de 2048 puntos de E/S, utilizan múltiples CPU y están equipados con procesadores de 16 o 32 bits. Su capacidad de memoria de usuario oscila entre 8 KB y 16 KB.
A nivel mundial, los productos PLC se pueden clasificar en tres tipos regionales principales: americanos, europeos y japoneses. Las tecnologías PLC americanas y europeas se desarrollaron de forma independiente, lo que dio lugar a claras diferencias entre sus productos. La tecnología PLC japonesa, introducida desde Estados Unidos, hereda ciertas características de los PLC estadounidenses, pero se centra en los PLC de pequeño tamaño. Mientras que los PLC estadounidenses y europeos son famosos por sus ofertas de tamaño mediano y grande, los PLC japoneses son famosos por sus homólogos de tamaño pequeño.
II. Funciones y campos de aplicación de los PLC
Los PLC combinan las ventajas del control de contactor de relé y la flexibilidad de las computadoras. Este diseño único proporciona numerosas características incomparables a los PLC en comparación con otros controladores.
1. Funciones de los PLC
Como dispositivo de control automático industrial universal centrado en microprocesadores e integrando tecnología informática, tecnología de control automático y tecnología de comunicación, los PLC ofrecen una multitud de ventajas. Estos incluyen alta confiabilidad, tamaño compacto, sólida funcionalidad, diseño de programa simple y flexible, versatilidad y fácil mantenimiento. En consecuencia, los PLC encuentran amplias aplicaciones en campos como la metalurgia, la energía, los productos químicos, el transporte y la generación de energía, emergiendo como uno de los tres pilares del control industrial moderno (junto con los robots y CAD/CAM). Según las características de los PLC, sus formas funcionales se pueden resumir de la siguiente manera:
(1) Control lógico de conmutación
Los PLC poseen sólidas capacidades de cálculo lógico, lo que les permite lograr diversos controles lógicos simples y complejos. Este es el dominio más fundamental y ampliamente aplicado de los PLC, que reemplaza el control tradicional de relé-contactor.
(2) Control analógico
PLLos C están equipados con módulos de conversión A/D y D/A. El módulo A/D convierte cantidades analógicas del campo (como temperatura, presión, flujo y velocidad) en cantidades digitales. Estas cantidades digitales luego son procesadas por el microprocesador dentro del PLC (ya que los microprocesadores solo pueden manejar cantidades digitales) y posteriormente se utilizan para el control. Alternativamente, el módulo D/A convierte cantidades digitales nuevamente en cantidades analógicas para controlar el objeto controlado, permitiendo así que los PLC ejerzan control sobre cantidades analógicas.
(3) Control de procesos
Los PLC modernos de tamaño mediano y grande suelen incluir módulos de control PID, lo que permite el control de procesos de bucle cerrado. Cuando una variable se desvía durante el proceso de control, el PLC calcula la salida correcta utilizando el algoritmo PID, ajustando así el proceso de producción y manteniendo la variable en el punto de ajuste. Actualmente, muchos PLC de pequeño tamaño también incorporan funcionalidad de control PID.
(4) Control de tiempo y conteo
Los PLC cuentan con sólidas capacidades de temporización y conteo, capaces de proporcionar docenas, cientos o incluso miles de temporizadores y contadores. La duración del tiempo y los valores de conteo pueden ser establecidos arbitrariamente por el usuario al escribir el programa de usuario, o por los operadores en el sitio a través de un programador. Esto permite controlar el tiempo y el conteo. Si los usuarios necesitan contar señales de alta frecuencia, pueden optar por módulos de conteo de alta velocidad.
(5) Control secuencial
En el control industrial, el control secuencial se puede lograr mediante instrucciones de pasos del PLC o programación de registros de desplazamiento.
(6) Procesamiento de datos
Los PLC modernos no sólo son capaces de realizar operaciones aritméticas, transferencia de datos, clasificación y consulta de tablas, sino que también pueden realizar comparaciones y conversiones de datos, comunicación y visualización de datos e impresión. Poseen sólidas capacidades de procesamiento de datos.
(7) Comunicación y networking
La mayoría de los PLC modernos incorporan tecnologías de comunicación y red, con interfaces RS-232 o RS-485 para control remoto de E/S. Se pueden conectar en red varios PLC y comunicarse entre sí. Las unidades de procesamiento de señales de dispositivos externos pueden intercambiar programas y datos con uno o más controladores programables. La transferencia de programas, la transferencia de archivos de datos, el monitoreo y el diagnóstico se pueden lograr a través de interfaces de comunicación o procesadores de comunicación, que utilizan interfaces de hardware estándar o protocolos de comunicación propietarios para facilitar la transferencia de programas y datos.
2. Campos de aplicación de los PLC
Actualmente, los PLC se emplean ampliamente tanto a nivel nacional como internacional en diversas industrias, incluidas las del hierro y el acero, el petróleo, los productos químicos, la energía, los materiales de construcción, la fabricación mecánica, los automóviles, los textiles ligeros, el transporte, la protección del medio ambiente y el entretenimiento cultural. Sus aplicaciones se pueden clasificar en términos generales de la siguiente manera:
(1) Control lógico de conmutación
Este es el dominio más fundamental y ampliamente aplicado de los PLC, que reemplaza los circuitos de relés tradicionales para lograr un control lógico y secuencial. Los PLC se pueden utilizar para el control de una sola máquina, así como para el control de grupos de varias máquinas y líneas de producción automatizadas, como máquinas de moldeo por inyección, máquinas de impresión, grapadoras, máquinas herramienta combinadas, rectificadoras, líneas de producción de envases y líneas de montaje de galvanoplastia.
(2) Control analógico
En los procesos de producción industrial, numerosas cantidades que varían continuamente, como la temperatura, la presión, el flujo, el nivel del líquido y la velocidad, son cantidades analógicas. Para permitir que los PLC manejen cantidades analógicas, se deben realizar conversiones A/D y D/A entre cantidades analógicas y digitales. Los fabricantes de PLC producen módulos de conversión A/D y D/A adjuntos para facilitar las aplicaciones de control analógico para PLC.
(3) Control de movimiento
PLCSe puede utilizar para control de movimiento giratorio o lineal. En términos de configuración del sistema de control, las primeras aplicaciones conectaban directamente sensores de posición y actuadores para cambiar módulos de E/S. Hoy en día, generalmente se emplean módulos de control de movimiento especializados. Estos módulos pueden controlar el control de posición de un solo eje o de varios ejes para motores paso a paso o servomotores. Casi todos los productos de los principales fabricantes de PLC en todo el mundo cuentan con capacidades de control de movimiento, que se utilizan ampliamente en diversas maquinarias, máquinas herramienta, robots, ascensores y otras aplicaciones.
(4) Control de procesos
El control de procesos se refiere al control de circuito cerrado de cantidades analógicas como temperatura, presión y flujo. Tiene amplias aplicaciones en campos como la metalurgia, la ingeniería química, el tratamiento térmico y el control de calderas. Como computadoras de control industrial, los PLC se pueden programar con una variedad de algoritmos de control para lograr un control de circuito cerrado. El control PID es un método de regulación comúnmente utilizado en sistemas de control de circuito cerrado. Tanto los PLC de tamaño mediano como los de gran tamaño están equipados con módulos PID y, actualmente, muchos PLC de tamaño pequeño también cuentan con este módulo funcional. El procesamiento PID generalmente implica ejecutar una subrutina PID dedicada.
(5) Procesamiento de datos
Los PLC modernos están equipados con funciones de operaciones matemáticas (incluido cálculo matricial, cálculo de funciones, operaciones lógicas), transferencia de datos, conversión de datos, clasificación, búsqueda de tablas y manipulación de bits. Pueden realizar adquisición, análisis y procesamiento de datos. Estos datos pueden compararse con valores de referencia almacenados en la memoria para realizar operaciones de control específicas o transmitirse a otros dispositivos inteligentes a través de funciones de comunicación. También se pueden imprimir y tabular. El procesamiento de datos se utiliza normalmente en sistemas de control a gran escala, como sistemas de fabricación flexibles no tripulados, y en sistemas de control de procesos, como los de la fabricación de papel, la metalurgia y la industria alimentaria.
(6) Comunicación y networking
La comunicación PLC abarca la comunicación entre PLC y entre PLC y otros dispositivos inteligentes. Con el desarrollo del control por computadora, las redes de automatización de fábricas han avanzado rápidamente. Todos los fabricantes de PLC ponen gran énfasis en las capacidades de comunicación de los PLC y han introducido sus respectivos sistemas de red. Los PLC fabricados recientemente están equipados con interfaces de comunicación, lo que hace que la comunicación sea muy cómoda.
III. Estructura básica y principio de funcionamiento de los PLC
Como computadora de control industrial, los PLC comparten similitudes en estructura con las computadoras comunes. Sin embargo, surgen diferencias debido a los distintos escenarios de uso y objetivos.
1. Componentes de hardware de los PLC
El diagrama de estructura básica de un host PLC se muestra en la siguiente figura: [Figura]
En el diagrama, el host del PLC consta de una CPU, memoria (EPROM, RAM), unidades de entrada/salida, interfaces de E/S periféricas, interfaces de comunicación y una fuente de alimentación. Para los PLC integrales, todos estos componentes están alojados dentro del mismo gabinete. En los PLC modulares, cada componente se empaqueta de forma independiente como un módulo y los módulos se conectan mediante un bastidor y cables. Todas las partes dentro del host están interconectadas a través de buses de energía, buses de control, buses de direcciones y buses de datos. Dependiendo de los requisitos del objeto de control real, se configuran varios dispositivos externos para formar diferentes sistemas de control PLC.
Los dispositivos externos comunes incluyen programadores, impresoras y grabadores de EPROM. Los PLC también pueden equiparse con módulos de comunicación para comunicarse con máquinas de nivel superior y otros PLC, formando así un sistema de control distribuido para PLC.
A continuación se muestra una introducción a cada componente del PLC y su función, para ayudar a los usuarios a comprender mejor los principios de control y los procesos de trabajo de los PLC.
(1) CPU
La CPU es el centro de control del PLC. Bajo el control de la CPU, el PLC coordina y opera de manera ordenada para lograr el control de varios equipos en el sitio. Compuesta por un microprocesador y un controlador, la CPU puede realizar operaciones lógicas y matemáticas y coordinar el trabajo de varios componentes internos del sistema de control. El controlador gestiona el funcionamiento ordenado de todas las partes del microprocesador. Su función principal es leer instrucciones de la memoria y ejecutarlas.
(2) Memoria
Los PLC están equipados con dos tipos de memoria: memoria del sistema y memoria de usuario. La memoria del sistema almacena programas de administración del sistema, a los que los usuarios no pueden acceder ni modificar. La memoria del usuario almacena programas de aplicación compilados y estados de datos de trabajo. La parte de la memoria del usuario que almacena los estados de los datos de trabajo también se conoce como área de almacenamiento de datos. Incluye áreas de imagen de datos de entrada/salida, áreas de datos de valores preestablecidos y actuales para temporizadores/contadores y zonas de buffer para almacenar resultados intermedios.
La memoria del PLC incluye principalmente los siguientes tipos:
Memoria de sólo lectura (ROM)
Memoria programable de sólo lectura (PROM)
Memoria de sólo lectura programable y borrable (EPROM)
Memoria de sólo lectura programable y borrable eléctricamente (EEPROM)
Memoria de acceso aleatorio (RAM)
(3) Módulos de entrada/salida (E/S)
① Módulo de entrada de conmutación
Los dispositivos de entrada de conmutación incluyen varios interruptores, botones, sensores, etc. Los tipos de entrada del PLC pueden ser CC, CA o ambos. La fuente de alimentación para el circuito de entrada puede ser proporcionada externamente o, en algunos casos, internamente por el PLC.
② Módulo de salida de conmutación
El módulo de salida convierte las señales de control de nivel TTL emitidas por la CPU cuando se ejecuta el programa de usuario en señales requeridas en el sitio de producción para controlar equipos específicos, accionando así el mecanismo de ejecución.
(4) Programador
El programador es un dispositivo externo imprescindible para los PLC. Permite a los usuarios ingresar programas en la memoria de programas de usuario del PLC, depurar programas y monitorear la ejecución del programa. Programáticamente, los programadores se pueden clasificar en tres tipos:
Programador portátil
Programador gráfico
Programador informático general
(5) Fuente de alimentación
La unidad de fuente de alimentación convierte la energía externa (por ejemplo, 220 V CA) en voltaje de trabajo interno. La fuente de alimentación conectada externamente se transforma en el voltaje de trabajo requerido por los circuitos internos del PLC (por ejemplo, CC 5 V, ±12 V, 24 V) a través de un regulador de voltaje de modo conmutado dedicado dentro del PLC. También proporciona una fuente de alimentación de 24 V CC para dispositivos de entrada externos (por ejemplo, interruptores de proximidad) (solo para puntos de entrada). La fuente de alimentación para controlar las cargas del PLC es proporcionada por...
(6) Interfaces periféricas
Los circuitos de interfaz periférica conectan programadores portátiles u otros programadores gráficos, pantallas de texto y pueden formar una red de control PLC a través de la interfaz periférica. Los PLC se pueden conectar a computadoras mediante un cable PC/PPI o una tarjeta MPI a través de una interfaz RS-485, lo que permite programación, monitoreo, conexión en red y otras funciones.
2. Componentes de software de los PLC
El software PLC comprende programas del sistema y programas de usuario. Los programas del sistema son diseñados y escritos por los fabricantes de PLC y se almacenan en la memoria del sistema del PLC. Los usuarios no pueden leerlos, escribirlos ni modificarlos directamente. Los programas del sistema normalmente incluyen programas de diagnóstico del sistema, programas de procesamiento de entradas, programas de compilación, programas de transferencia de información y programas de monitoreo, entre otros.
Ud.Los programas ser son compilados por usuarios que utilizan lenguajes de programación de PLC basados en los requisitos de control. En las aplicaciones de PLC, el aspecto más crítico es el uso de lenguajes de programación de PLC para escribir programas de usuario para lograr objetivos de control. Dado que los PLC están desarrollados específicamente para el control industrial, sus principales usuarios son los técnicos eléctricos. Para satisfacer sus hábitos tradicionales y capacidades de aprendizaje, los PLC emplean principalmente lenguajes dedicados que son más simples, más comprensibles y más intuitivos en comparación con los lenguajes de computadora.
Estructura de instrucción gráfica
Variables explícitas y constantes
Estructura del programa simplificada
Proceso de generación de software de aplicación simplificado
Herramientas de depuración mejoradas
3. Principio básico de funcionamiento de los PLC
El proceso de escaneo del PLC se divide principalmente en tres etapas: muestreo de entrada, ejecución del programa de usuario y actualización de salida. Como se muestra en la figura: [Figura]
Etapa de muestreo de entrada
Durante la etapa de muestreo de entrada, el PLC lee secuencialmente todos los estados y datos de entrada en forma de escaneo y los almacena en las unidades correspondientes del área de imagen de E/S. Una vez completado el muestreo de entrada, el proceso pasa a las etapas de ejecución del programa de usuario y actualización de salida. En estas dos etapas, incluso si los estados y datos de entrada cambian, los estados y datos en las unidades correspondientes del área de imagen de E/S no se alterarán. Por lo tanto, si la entrada es una señal de pulso, el ancho del pulso debe ser mayor que un ciclo de escaneo para garantizar que la entrada pueda leerse bajo cualquier circunstancia.
Etapa de ejecución del programa de usuario
Durante la etapa de ejecución del programa de usuario, el PLC siempre escanea el programa de usuario (diagrama de escalera) en una secuencia de arriba hacia abajo. Al escanear cada diagrama de escalera, primero escanea el circuito de control formado por los contactos en el lado izquierdo del diagrama de escalera. Las operaciones lógicas se realizan en el circuito de control en orden de izquierda a derecha y de arriba a abajo. Luego, basándose en los resultados de las operaciones lógicas, se actualiza el estado del bit correspondiente en el área de almacenamiento RAM del sistema para la bobina lógica, o se actualiza el estado del bit correspondiente en el área de imagen de E/S para la bobina de salida, o se determina si se deben ejecutar las instrucciones de función especiales especificadas por el diagrama de escalera.
Es decir, durante la ejecución del programa de usuario, sólo los estados y datos de los puntos de entrada en el área de imagen de E/S permanecen sin cambios, mientras que los estados y datos de otros puntos de salida y dispositivos de software en el área de imagen de E/S o el área de almacenamiento RAM del sistema pueden cambiar. Los diagramas de escalera colocados más arriba afectarán los resultados de ejecución de los diagramas de escalera inferiores que hacen referencia a estas bobinas o datos. Por el contrario, los estados o datos actualizados de las bobinas lógicas en los diagramas de escalera inferiores solo influirán en los diagramas de escalera superiores en el siguiente ciclo de escaneo.
Etapa de actualización de salida
Cuando se completa la exploración del programa de usuario, el PLC ingresa a la etapa de actualización de salida. Durante esta fase, la CPU actualiza todos los circuitos de bloqueo de salida de acuerdo con los estados y datos en el área de imagen de E/S y controla los periféricos correspondientes a través de los circuitos de salida. Esto marca la verdadera salida del PLC.
Fenómeno de retraso de entrada/salida
Del proceso de trabajo del PLC se pueden extraer las siguientes conclusiones:
Los programas se ejecutan en forma de escaneo, lo que resulta en un retraso inherente en la relación lógica entre las señales de entrada y salida. Cuanto más largo sea el ciclo de escaneo, más grave será el retraso.
Además del tiempo ocupado por las tres etapas de trabajo principales (muestreo de entrada, ejecución del programa de usuario y actualización de salida), el ciclo de escaneo también incluye el tiempo consumido por las operaciones de administración del sistema. El tiempo necesario para la ejecución del programa está relacionado con la duración del programa y la complejidad de las operaciones de la instrucción, mientras que otros factores permanecen relativamente constantes. Los ciclos de exploración suelen ser del orden de milisegundos o microsegundos.
Durante la enésima ejecución de escaneo, los datos de entrada en los que se confía son el valor muestreado X obtenido durante la fase de muestreo de ese ciclo de escaneo. Los datos de salida Y(n) se basan tanto en el valor de salida Y(n-1) del escaneo anterior como en el valor de salida actual Yn. La señal enviada al terminal de salida representa el resultado final Yn después de que se hayan ejecutado todos los cálculos durante este ciclo.
El retraso en la respuesta de entrada/salida no sólo está relacionado con el método de escaneo sino también con la disposición del diseño del programa.