Un controlador lógico programable (PLC) es un tipo de ordenador industrial diseñado para controlar equipos y procesos industriales como motores, líneas de montaje y maquinaria de procesamiento y manipulación. Diseñados para ser robustos y resistir las condiciones más duras, los PLC son ideales para aplicaciones de control en entornos que experimentan altos niveles de polvo o humedad, vibraciones, golpes y temperaturas extremas.

Los motores se usan ampliamente en las aplicaciones industriales, y los PLC son una solución ideal para controlarlos. Permiten implementar fácilmente reglas complejas: por ejemplo, cuando se pulsa un botón de arranque, el motor debe arrancar solo si los sensores muestran que los resguardos de seguridad están presentes y no hay condiciones de error.

¿Qué es un PLC?

Un PLC es un controlador industrial basado en un microprocesador. Tiene una memoria programable que sirve para almacenar las instrucciones del programa y diversas funciones. Un PLC recoge los datos de los sensores u otros dispositivos de entrada, los procesa de acuerdo con los parámetros establecidos y luego genera las salidas adecuadas.

Estas salidas pueden ser órdenes para poner en marcha o detener una máquina o activar alarmas para avisar que un proceso ha excedido sus valores límite.

Un PLC consta de cinco componentes principales:

• Unidad procesadora: interpreta las entradas, ejecuta el programa de control almacenado y envía señales de salida
• Fuente de alimentación: convierte la tensión CA en CC
• Unidad de memoria: almacena los datos recibidos de las entradas así como el programa ejecutado por el procesador
• Interfaz de entrada y salida: usada por el controlador para recibir y enviar datos desde y hacia los dispositivos externos
• Interfaz de comunicaciones: recibe y transmite datos en las redes de comunicación hacia y desde los PLC remotos

Los PLC son fáciles de programar, incluso por personas con poca experiencia en lenguajes de programación. El método más común es un lenguaje de programación gráfico llamado diagrama de escalera. Los PLC también ofrecen gran fiabilidad y un fácil diagnóstico de fallos en los procesos.

Sustituyeron a los sistemas de control basados en relés, que consumían mucho tiempo y eran difíciles de diseñar y solucionar. A pesar de la llegada de sistemas de control más sofisticados basados en hardware informático estándar, los PLC siguen siendo populares por su construcción robusta y su facilidad de uso.

¿Cómo controla un PLC un motor?

Los PLC no controlan los motores directamente sino que proporcionan una señal de salida a un dispositivo intermedio, como un relé o un controlador de frecuencia variable (VFD), que ordena el encendido del motor.

Los PLC son de hecho ordenadores industriales muy flexibles que pueden usar una gran variedad de señales de entrada y salida que pueden adoptar dos formas: señales discretas o analógicas. Las señales discretas solo pueden tomar un valor de encendido o apagado de dispositivos como interruptores de fin de carrera, sensores y encoders.

Las señales analógicas pueden usar una tensión o una corriente proporcional a la variable que se controla y pueden tomar cualquier valor dentro de su escala. Los parámetros de entrada que usan una señal analógica son la presión, el caudal y el peso.

Las señales discretas son el tipo más adecuado para el control simple de motores. En la mayoría de los casos, los operadores solo necesitarán que se emita una orden de encendido o apagado o que se lea el estado de un sensor que determine si es seguro operar el motor.

Aplicación típica de control de motores por PLC

En una aplicación de control de motores, el motor estará conectado a un alimentador de motores que le suministra energía, típicamente una alimentación trifásica de 415 V. La programación del diagrama de escalera permite programar el PLC para que responda a las entradas de interruptores y sensores. Por lo tanto, el PLC solo dará la señal de encendido del motor si se cumplen ciertas condiciones.

Un PLC tendrá varias entradas, como un botón de arranque, un botón de parada y varias entradas de bloqueo (por ejemplo, alta vibración del motor, sobrecarga, alta temperatura del motor y sensores en las barreras de protección). También tendrá una entrada para indicar si el motor está bajo control local desde el panel o bajo control remoto desde el PLC.

El funcionamiento básico consiste en poner en marcha el motor al pulsar el botón de arranque. Si se activa alguna de las entradas de bloqueo, el programa del PLC la interpretará como un fallo e impedirá el arranque del motor. El PLC también debe detener el motor cuando se pulse el botón de parada o cuando aumenten las entradas de los bloqueos indicando una condición de fallo o un problema de seguridad.

Los PLC también pueden usar otras entradas para controlar el motor durante su funcionamiento. Las señales analógicas, como la velocidad, la corriente y la temperatura del motor, pueden usarse para garantizar un rendimiento óptimo, mientras que señales como las paradas finales garantizarán que la carga que mueve el motor se mantiene dentro de un área física predefinida.

Control de motores CC por PLC

Los motores CC se manejan más fácilmente mediante relés. Un relé electromecánico (EMR) es esencialmente un interruptor operado por un electroimán. El relé enciende o apaga un circuito de carga energizando el electroimán, que a su vez abre o cierra los contactos conectados en serie con una carga. Los relés se usan generalmente para controlar pequeñas cargas inferiores a 15 A.

Un relé tiene dos circuitos: la entrada de la bobina (también conocida como circuito de control) y la salida del contacto (el circuito de carga). En los circuitos de motor, los EMR se emplean a menudo para controlar las bobinas en contactores y arranques de motor.

Un relé suele tener una sola bobina, pero puede tener muchos contactos diferentes. Los EMR tienen contactos fijos y móviles, y los contactos móviles están unidos a la armadura. Los contactos se designan como normalmente abiertos (NO) y normalmente cerrados (NC). Cuando se energiza la bobina, se crea un campo electromagnético que hace que la armadura se mueva, cerrando los contactos NO y abriendo los contactos NC.

Las bobinas suelen designarse con una letra, la M se usa para un arranque de motor, mientras que CR se usa para los relés de control. Los contactos de los relés de control son pequeños porque solo necesitan manejar las pequeñas corrientes usadas en los circuitos de control, lo que les permite contener numerosos contactos aislados.

Un dispositivo similar a un EMR es un contactor, cuya principal diferencia es el tamaño y el número de contactos. Los contactores están destinados a la conexión directa de dispositivos de carga de alta intensidad. Los dispositivos que conmutan más de 15 A o en circuitos de más de unos pocos kilovatios se describen generalmente como contactores.

¿Cómo controla un PLC la velocidad del motor?

Los PLC se pueden usar para controlar la velocidad de los motores CA mediante un controlador de velocidad variable (VSD), también conocido como controlador de frecuencia variable (VFD). En el control de motores por VFD, varía la frecuencia de la alimentación CA al motor. Como la velocidad de un motor de inducción depende de la frecuencia de alimentación, el VFD puede usarse para variar su velocidad. También pueden usarse con motores síncronos.

Un VFD es esencialmente un convertidor de potencia que usa la electrónica para convertir una frecuencia fija y una tensión fija en una frecuencia variable y una tensión variable. Suelen tener una interfaz de usuario programable que permite controlar fácilmente la velocidad del motor eléctrico.

Como los controladores reducen la potencia de una aplicación, como una bomba o un ventilador, controlando la velocidad del motor, a menudo esto puede reducir el consumo de energía en un 50 % (hasta en un 90 % en casos extremos).

Mientras que el VFD controla la velocidad del motor, el VFD como tal puede ser controlado a distancia mediante un PLC. Para ello, el PLC debe proporcionar al VFD un punto de ajuste para la velocidad del motor, que puede venir automáticamente del PLC o puede ser ajustado por el operador usando la interfaz humano-máquina (HMI). En esta disposición, el PLC controla la velocidad del controlador mediante el punto de ajuste y el VFD controla la velocidad del motor ajustando su frecuencia para alcanzar el punto de ajuste.

Una aplicación típica de VFD para controlar la velocidad del motor podría aprovechar las funciones de control PID que ofrecen algunos PLC. Como su nombre lo indica, un regulador PID consta de tres coeficientes principales: proporcional, integral y derivativo. Como parte de un sistema de control de bucle cerrado, el PLC usará la función PID para evaluar la velocidad del motor y generar una salida adecuada. Esto se enviará al VFD para que pueda ordenar al motor que desacelere o acelere con el fin de alcanzar el punto de ajuste requerido.

Ventajas de los PLC en las aplicaciones de controlador de motores

Los PLC ofrecen varias ventajas a las aplicaciones de controlador de motores. Dado que los motores en los entornos industriales están con frecuencia en atmósferas polvorientas o húmedas o donde hay un alto grado de vibración mecánica, los equipos de control deben ser resistentes y robustos, y los PLC ofrecen estas características.

Los buenos PLC industriales no suelen verse afectados por el ruido eléctrico habitual en la mayoría de los entornos industriales. Como tienen muy pocas piezas móviles, las posibilidades de que se produzcan defectos y daños también son muy reducidas. Además, son compactos y fáciles de colocar en muchos lugares en los que pueda ser necesario el control del motor.

La programación de un PLC también es fácil, ya que se programan en lógica de escalera de relés u otros lenguajes fáciles de aprender. Mediante un lenguaje de programación integrado en la memoria y con terminales para dispositivos de campo de entrada y salida y puertos de comunicación, los programas existentes pueden modificarse fácilmente en cualquier momento. Esto facilita mucho a los ingenieros con poca experiencia en programación escribir o adaptar programas para gestionar sus aplicaciones de motor.

A pesar de su simplicidad, los PLC se basan en la tecnología de microprocesadores de estado sólido y son un gran avance respecto a las formas puramente electromecánicas de control de motores, como los relés que tienen el gran inconveniente de necesitar ser cableados para realizar una función específica, lo que significa que cuando los requisitos del sistema del motor cambian, el cableado del relé también debe cambiarse o modificarse. Gracias a sus funciones de programación, los PLC han eliminado gran parte del cableado necesario con los circuitos convencionales de control de motores basados en relés.

Una vez que se ha escrito y probado un programa, es fácil descargarlo a otros PLC que ejecuten aplicaciones de motor similares. Como toda la lógica está contenida en la memoria del PLC, se elimina la posibilidad de que se produzcan errores de cableado lógico.

Cuando se producen errores en las aplicaciones basadas en PLC, son fáciles de solucionar gracias a las funciones de diagnóstico y anulación integradas en el PLC, que permiten a los usuarios rastrear y corregir fácilmente los problemas tanto del software como del hardware. Por ejemplo, los usuarios pueden mostrar el programa de control en un monitor y ver en tiempo real mientras se ejecuta. La solución de problemas también se simplifica gracias a los indicadores de fallos y a los mensajes que aparecen en la pantalla del programador.

Debido a su programabilidad, los PLC también ofrecen mayor flexibilidad. Con un PLC, las relaciones entre las entradas y las salidas se rigen por el programa del usuario y no por la forma en que están interconectadas. Los fabricantes de equipos originales pueden actualizar el sistema enviando un nuevo programa, mientras que los usuarios finales pueden modificar el programa sobre el terreno. Los usuarios también pueden añadir módulos de funciones y sensores adicionales para mejorar la flexibilidad y el rendimiento de un sistema de control de motores basado en un PLC. Por ejemplo, un sensor de temperatura podría indicar que un proceso se debe enfriar o calentar, y el PLC puede encender el motor para accionar un ventilador de refrigeración o transferir el calor por convección desde una fuente de calor.

Los PLC también tienen capacidades de comunicación sofisticadas y pueden comunicarse con otros controladores o equipos informáticos. Esto les permite realizar funciones como control de supervisión, recopilación de datos, monitorización de dispositivos y parámetros de procesos, y descargar y cargar programas. Los PLC también pueden usar una variedad de protocolos de comunicación estándar.

Con todas estas ventajas, los PLC son la forma ideal de controlar las aplicaciones de motores. Resistentes, robustos, fáciles de programar y con alta fiabilidad y flexibilidad, los PLC llevan el control de motores industriales avanzado a las instalaciones sin necesidad de adoptar un sistema de automatización completo. Al ofrecer una capacidad independiente pero con la flexibilidad de comunicarse con otras unidades, además de la capacidad de tomar datos de una gran variedad de sensores, los PLC pueden adaptarse a una amplia gama de aplicaciones de control de motores.