Los controladores lógicos programables (PLC) son una parte integral de la automatización y el control de procesos industriales. Los PLC gestionan varios actuadores, analógicos y sensores digitales, y comunican interfaces complejas en protocolos cambiantes.

Además de las funciones de control, los PLC ejecutan conversión de datos y procesamiento de señales. Los PLC, impulsados por los avances en el internet de las cosas industrial (IIoT), ofrecen soluciones seguras y a escala, alto rendimiento, bajo consumo y área de superficie pequeña.

Hoy los PLC se usan ampliamente en las aplicaciones del mundo digital. Las operaciones secuenciales y repetitivas en las industrias normalmente se llevan a cabo usando PLC. Están listos para la Industria 4.0. Este artículo resalta el diseño PLC y sus desafíos en las aplicaciones industriales.

¿Qué es un controlador lógico programable (PLC)?

Un controlador lógico programable, conocido comúnmente como PLC, es un ordenador industrial digital de estado sólido que usa circuitos integrados en vez de dispositivos electromecánicos para implementar las funciones de control.

Según NEMA, un PLC se define como un dispositivo electrónico digital que utiliza una memoria programable para incrementar funciones particulares y almacenar instrucciones. La lista de funciones particulares incluye funciones lógicas, secuenciado aritmético, temporización y conteo, así como control de procesos y máquinas.

El factor de forma de los PLC ha tenido un cambio notorio con los años, pasando de ordenadores industriales y controladores de automatización programables (PAC) en factores de forma similares a los ordenadores, a encapsulados compactos y mini PLC. La funcionalidad de los PLC también ha evolucionado. Además de las funciones de control discreto, los PLC ahora vienen con funcionalidades como interfaz humano máquina (HMI), Ethernet industrial en tiempo real, control de movimiento y pasarelas de comunicación de datos. Varios sectores contemporáneos implementan la fabricación inteligente, donde los sistemas conectados se aprovechan para la interacción entre máquinas (M2M) y empresarial. Los PLC se rediseñan para un funcionamiento fiable impecable e inmunidad ante entornos hostiles, ruidosos, de mucho polvo, y son además resistentes al agua. También se requiere disponibilidad en tiempo real y capacidad operacional en un rango de temperatura de funcionamiento amplio. Farnell trabaja con diferentes fabricantes que ofrecen una amplia cartera de productos PLC. (Para más información sobre los productos PLC, haga clic aquí)

Clasificación de los PLC

Los PLC se clasifican en tres tipos según la salida: salida de transistor, salida de triac y salida de relé. El tipo de salida de relé es ideal para dispositivos de salida CA y CC. Los PLC de tipo de salida de transistor usan operaciones de conmutación y se emplean en microprocesadores.

Los PLC están diseñados para ser robustos, capaces de resistir temperaturas extremas, ruido eléctrico, humedad y vibraciones. Los controladores lógicos controlan y monitorizan una gran cantidad de actuadores y sensores y por consiguiente se diferencian de otros sistemas de ordenador por su presentación de entrada/salida (E/S) considerable.

Anatomía de los PLC

Los PLC son dispositivos modulares compactos con varias entradas y salidas (E/S) en una carcasa incorporada al procesador. La variedad puede llegar a dispositivos modulares grandes montados en rack con cientos de E/S en red con los sistemas SCADA. Los controladores lógicos programables (PLC) dentro de los sistemas de control industrial funcionan como un puente útil entre lo físico y los protocolos de comunicación celular como PROFIBUS, BACnet, DNP3, OPC, EtherCAT y CIP.

Cada sistema PLC está compuesto por tres módulos: módulo de CPU, muchos módulos de entrada/salida (E/S) y módulo de fuente de alimentación.

Diagrama de bloques del módulo PLC
Figura 1: Diagrama de bloques del módulo PLC
  • Módulo de CPU: Este módulo contiene un procesador central junto con su memoria. Este procesador ejecuta todo el procesamiento de datos y las computaciones necesarias, recibiendo las entradas apropiadas y produciendo las salidas correspondientes.
  • Módulo de fuente de alimentación: Para ejecutar el circuito de ordenador de un PLC es necesaria una salida de 5 VDC, debidamente suministrada por el módulo de fuente de alimentación. Este es básicamente el módulo a cargo de la alimentación del sistema. Acepta alimentación CA y luego la convierte en potencia CC que usan los otros dos módulos (de entrada/salida y de CPU).
  • Módulos de E/S: Los módulos de entrada/salida supervisan la conexión de los sensores y actuadores con el sistema PLC para detectar diversos parámetros, como presión, flujo y temperatura. Los módulos E/S son analógicos o digitales.

La programación PLC permite al usuario configurar el sistema de control mediante el uso de una sintaxis establecida. Los diferentes tipos de lenguajes de programación utilizados incluyen Ladder, booleano y Grafcet. Los lenguajes Ladder y booleano implementan operaciones del mismo modo, pero se diferencian en la forma en que se representan las instrucciones y la manera en que entran al PLC. El lenguaje Grafcet controla las instrucciones de forma diferente dependiendo de las acciones y los pasos en un programa orientado gráficamente. Hoy en día se usan varios lenguajes de programación diferentes y cada cual otorga a los PLC especificaciones de programación según la norma IEC 61131-3. Para más información sobre los productos de programadores PLC haga clic aquí.

PLC en aplicaciones industriales

Los PLC se usan en diversas aplicaciones en plantas energéticas, sistemas de red eléctrica inteligente, unidades de fabricación, monitorización de herramientas o equipos para maquinaria, creación del sistema y funciones de control de procesos. Exploraremos algunos de los casos de uso de los PLC empleados en la automatización industrial.

a) Sistema automático de mezcla y envasado con PLC en el sector de las bebidas y los jugos

En un sistema automático de mezcla y envasado inicialmente se mezclan dos líquidos (agua y proteína líquida) de dos contenedores diferentes en otro contenedor, como lo muestra la figura 2. La solución mezclada se debe envasar en las botellas una a una. El botón de inicio arranca el funcionamiento de todo el sistema. Aquí la salida del sensor es la entrada del PLC y las salidas del PLC controlan las válvulas, el mezclador y la cinta transportadora. El primer líquido (agua) fluye hacia el contenedor de mezclado durante 10 segundos. Luego el segundo líquido fluye hacia el contenedor de mezclado durante 15 segundos. La operación de mezclado dura 20 segundos. El botón de parada controla el funcionamiento. Haga clic aquí para más información sobre los productos de controlador de procesos.

b) Procesar vidrios planos y controlar la proporción de los materiales usando el controlador PLC en el sector del vidrio

En el sector del vidrio los PLC se usan para controlar la proporción de los materiales y procesar vidrios planos. La tecnología en evolución constante ha avanzado con los años y por consiguiente se ha creado una demanda de crecimiento consistente del modo de control por PLC en el sector de los vidrios. La producción de vidrios es un proceso sofisticado. Las empresas involucradas con frecuencia utilizan PLC con tecnología BUS como modo de control. EL PLC registra datos analógicos en la producción de los vidrios y control de posición y calidad digital en el proceso.

c) Mezcla de materias primas usando PLC en el sector de la fabricación de cemento

La fabricación del cemento involucra la mezcla de diferentes materias primas en un horno. La calidad del producto final se ve afectada por esas materias primas y sus proporciones respectivas. Los datos deben ser exactos para garantizar el uso de las cantidades y calidades correctas de la materia prima. Un sistema de control distribuido consiste en PLC en modo de usuario y software de configuración, que se usan en los procesos de gestión y producción. Los PLC específicamente controlan los hornos de carbón, hornos verticales y molinos de bolas.

Sistema automático de mezcla y envasado
Figura 2: Sistema automático de mezcla y envasado

Conclusiones

Una buena automatización y control de procesos son vitales en un mundo competitivo. Las labores de automatización basadas en PLC hacen que las actividades de producción sean rentables. Los PLC pueden simplificar las operaciones complejas y reducir el tiempo de configuración. Las labores de cerámica, cemento, el sector de los empaques, químico y de procesamiento de alimentos, entre otros, necesitan de los sistemas PLC para un excelente rendimiento y utilidades.

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