Variador de frecuencia de 380 V, 560-800 kW
Cat:Rve32 Vector Variable Frequency Drive
Rango de control de velocidad: control V/f sin PG (control de bucle abierto) 1:200, control vectorial 1:40. Control V/f: ± 2%, control vectorial si...
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Un controlador lógico programable (PLC) es una computadora industrial robusta diseñada específicamente para monitorear entradas de sensores y dispositivos de campo, ejecutar un programa de control almacenado y controlar salidas, como motores, válvulas, actuadores e indicadores, en tiempo real. A diferencia de una computadora de uso general, un PLC está diseñado para operar de manera confiable en entornos industriales hostiles caracterizados por ruido eléctrico, vibración, temperaturas extremas y polvo, mientras ejecuta programas de control con sincronización determinista, lo que significa que el controlador completa su ciclo de escaneo en un tiempo predecible y repetible independientemente de las condiciones del proceso. Esta combinación de endurecimiento industrial y determinismo en tiempo real es lo que convierte a los PLC en el controlador de automatización estándar en la fabricación, las industrias de procesos, los servicios públicos, la automatización de edificios y la infraestructura en todo el mundo.
El PLC se desarrolló a finales de la década de 1960 específicamente para reemplazar los grandes bancos de relés electromecánicos que controlaban las líneas de montaje de automóviles: sistemas que eran costosos de instalar, requerían un importante recableado para cambiarlos y exigían un mantenimiento constante a medida que los contactos de los relés se desgastaban y fallaban. Al reemplazar la lógica del relé físico con un equivalente programable basado en software, el PLC permitió a los ingenieros de producción modificar el comportamiento de la máquina cambiando un programa en lugar de volver a cablear un panel, reduciendo drásticamente el tiempo y el costo de los cambios de producción. Sesenta años después, el concepto central permanece sin cambios, pero la modernidad controladores lógicos programables se han expandido desde simples reemplazos de relés hasta sofisticadas plataformas de automatización que admiten control de movimiento de alta velocidad, control de procesos, funciones de seguridad, integración de visión artificial y comunicación de redes industriales a través de complejas arquitecturas multisistema.
El principio operativo fundamental de un controlador lógico programable es el ciclo de exploración, una secuencia repetitiva de operaciones que el PLC ejecuta continuamente mientras esté en modo de ejecución. Comprender el ciclo de escaneo es esencial para comprender cómo se comporta un PLC, particularmente en aplicaciones en las que el tiempo es crítico, donde el tiempo de respuesta a un cambio de entrada determina si el sistema de control funciona correctamente.
Un ciclo de escaneo de PLC estándar consta de cuatro etapas secuenciales. Primero, el escaneo de entrada lee el estado actual de todas las entradas digitales y analógicas conectadas (sensores, interruptores, codificadores, transmisores) y copia estos valores en un registro de imagen de entrada en la memoria. En segundo lugar, la exploración del programa ejecuta el programa de control almacenado en la memoria, utilizando los valores de la imagen de entrada (no las lecturas de entrada en vivo) para evaluar las condiciones lógicas y determinar el estado requerido de las salidas. En tercer lugar, el escaneo de salida escribe los valores de la imagen de salida determinados por el programa en el hardware de salida física, activando o desactivando los dispositivos conectados. Cuarto, la etapa de limpieza maneja las comunicaciones, el autodiagnóstico y la actualización de temporizadores y contadores internos antes de que se repita el ciclo.
El tiempo necesario para completar un ciclo de exploración (el tiempo de exploración) suele ser de 1 a 10 milisegundos para la mayoría de las aplicaciones estándar, aunque aumenta con la complejidad del programa y el recuento de puntos de E/S. La arquitectura del ciclo de exploración significa que no se actúa sobre los cambios en el estado de entrada hasta el siguiente ciclo de exploración, lo que introduce una latencia máxima de un ciclo de exploración en la respuesta de control. Para la mayoría de las aplicaciones de automatización industrial, esta latencia es totalmente aceptable. Para aplicaciones de alta velocidad (control de movimiento servo, conteo de alta frecuencia o funciones de seguridad que requieren una respuesta de menos de milisegundos), se utilizan rutinas de interrupción especializadas, procesadores de movimiento dedicados o PLC de seguridad separados para evitar la latencia del ciclo de escaneo estándar.
Un sistema PLC consta de varios componentes de hardware distintos que juntos forman el controlador de automatización completo. Comprender la función de cada componente aclara cómo se especifica, ensambla y mantiene un sistema PLC.
El módulo CPU es el cerebro del PLC: contiene el procesador que ejecuta el programa de control, la memoria que almacena el programa y los datos, y las interfaces de comunicación que se conectan a las herramientas de programación y otros sistemas de automatización. La capacidad de la CPU se caracteriza por la velocidad de procesamiento (tiempo de escaneo por cada 1000 instrucciones de lógica de escalera), la capacidad de la memoria del programa (generalmente de kilobytes a megabytes según la clase de PLC), la memoria de datos para almacenar valores variables y datos de proceso, y la gama de protocolos de comunicación admitidos. Los módulos de CPU de alta gama también contienen relojes en tiempo real, capacidad de registro de datos y servidores OPC UA o MQTT integrados para conexión directa a IoT industrial y sistemas en la nube sin hardware adicional.
Los módulos de E/S son la interfaz física entre el PLC y los dispositivos de campo (sensores, interruptores, válvulas, motores e instrumentos) que el sistema de control monitorea y ordena. Los módulos de entrada digital reciben señales de encendido/apagado de dispositivos como sensores de proximidad, botones pulsadores e interruptores de límite, convirtiendo el voltaje de nivel de campo (normalmente 24 VCC o 120/240 VCA) en una señal de nivel lógico que la CPU puede leer. Los módulos de salidas digitales conmutan la alimentación a dispositivos de campo como válvulas de solenoide, arrancadores de motor y lámparas indicadoras. Los módulos de entrada analógica convierten señales continuamente variables (bucles de corriente de 4-20 mA, señales de voltaje de 0-10 V, voltajes de termopar, valores de resistencia RTD) en valores digitales que la CPU puede procesar. Los módulos de salida analógica convierten valores digitales de la CPU en señales analógicas proporcionales para controlar variadores de velocidad, válvulas proporcionales y otros dispositivos de variación continua. Los módulos de E/S especializados incluyen entradas de contador de alta velocidad para retroalimentación del codificador, módulos de comunicación en serie y E/S con clasificación de seguridad para aplicaciones de seguridad funcional.
El módulo de fuente de alimentación del PLC convierte la alimentación de red entrante (normalmente 120 VCA o 240 VCA) o la alimentación del bus de CC a los voltajes de CC regulados requeridos por la CPU y los módulos de E/S. La selección de la fuente de alimentación implica hacer coincidir la capacidad de corriente de salida con el consumo de corriente total de todos los módulos en el bastidor o sistema, con un margen de al menos 20 a 30 % para confiabilidad y para adaptarse a futuras expansiones. Las configuraciones de fuente de alimentación redundantes, donde dos módulos de fuente de alimentación funcionan en paralelo con conmutación por error automática, son estándar en sistemas de alta disponibilidad donde un apagado no planificado debido a una falla en la fuente de alimentación sería inaceptablemente costoso.
En los sistemas PLC modulares montados en bastidor, el backplane es la placa de circuito que soporta mecánicamente y conecta eléctricamente la CPU, la fuente de alimentación y los módulos de E/S. El backplane transporta el bus de datos interno, la distribución de energía y, en algunos sistemas, las señales de sincronización en tiempo real necesarias para el funcionamiento coordinado de varios módulos. El tamaño del bastidor, especificado por la cantidad de ranuras para módulos, determina cuántos módulos de E/S se pueden instalar en un solo bastidor, y para los sistemas que requieren más E/S de las que un solo bastidor puede acomodar, se conectan varios bastidores mediante cables de expansión o E/S remotas a través de una red industrial.
Los PLC se fabrican en varios factores de forma adecuados para diferentes requisitos de escala y complejidad. Seleccionar el factor de forma de PLC apropiado para una aplicación implica hacer coincidir la capacidad de E/S, la capacidad de expansión y la capacidad de procesamiento del controlador con los requisitos actuales y futuros proyectados de la máquina o proceso que se controla.
| Tipo de PLC | Recuento típico de E/S | Ampliabilidad | Aplicaciones más adecuadas | Productos de ejemplo |
| Nano/microPLC | 6 – 40 E/S | Limitado o ninguno | Máquinas simples, equipos OEM, reemplazo de relés. | Logotipo de siemens!, Omrón CP1E |
| PLC compacto | 20 – 256 E/S | Módulos de expansión disponibles | Máquinas pequeñas y medianas, embalaje, climatización. | Allen-Bradley Micro820, Siemens S7-1200 |
| PLC modular | 64 – 4.096 E/S | Altamente ampliable con E/S remotas | Máquinas complejas, líneas de producción, plantas de proceso. | Siemens S7-1500, Allen-Bradley ControlLogix |
| PLC basado en bastidor | 256 – 65.000 E/S | Múltiples racks, E/S distribuidas | Grandes plantas de proceso, generación de energía, control equivalente a DCS | Allen-Bradley PLC-5, GE RX3i, Schneider Premium |
| PLC de seguridad (clasificación SIL) | Varía | Ampliable con E/S de seguridad | Parada de emergencia, enclavamiento de seguridad, funciones SIL 1-3 | Pilz PSS 4000, Siemens S7-1500F, AB GuardLogix |
La categoría de PLC compacto se ha convertido en el área de crecimiento más significativa en el mercado de PLC, impulsada por la clase de productos Siemens S7-1200 y Allen-Bradley Micro820 que ofrecen capacidades anteriormente asociadas solo con sistemas modulares de tamaño completo, incluido el control de movimiento, el control de procesos PID y la comunicación industrial basada en Ethernet, en un factor de forma pequeño adecuado para montaje en panel sin un bastidor dedicado. Para nuevos proyectos de automatización de máquinas con recuentos de E/S inferiores a 200 puntos, un PLC modular compacto es ahora el punto de partida predeterminado para la mayoría de los ingenieros de automatización en lugar de los sistemas más grandes basados en bastidores que eran necesarios hace una década.
La programación de PLC está estandarizada según IEC 61131-3, que define cinco lenguajes de programación que deben admitir los entornos de desarrollo de PLC compatibles. Diferentes lenguajes se adaptan a diferentes tipos de lógica de control y diferentes conocimientos de ingeniería, y la mayoría de las herramientas de programación de PLC modernas permiten el uso de múltiples lenguajes dentro de un solo proyecto, lo que permite a los ingenieros elegir el lenguaje más apropiado para cada sección del programa.
El diagrama de escalera es el lenguaje de programación de PLC más utilizado, particularmente en Norteamérica y en entornos de fabricación discreta. La representación gráfica imita los diagramas lógicos de relés que los PLC fueron diseñados originalmente para reemplazar: los peldaños horizontales de lógica conectan los rieles de alimentación izquierdo y derecho, con símbolos de contacto normalmente abiertos y normalmente cerrados que representan condiciones de entrada y símbolos de bobina que representan comandos de salida. La lógica de escalera es intuitiva para los ingenieros eléctricos familiarizados con los diagramas de circuitos de relés y es fácil de leer y solucionar problemas en línea (con el PLC en modo de ejecución, los elementos activos se resaltan en el software de programación, lo que permite rastrear visualmente las condiciones de falla). La limitación del diagrama de escalera es que resulta difícil de manejar para operaciones matemáticas complejas, manipulación de datos y programación secuencial que se expresan de forma más natural en lenguajes basados en texto.
El diagrama de bloques de funciones representa la lógica de control como bloques gráficos interconectados: cada bloque encapsula una función específica (puerta AND, controlador PID, contador, temporizador, bloque de funciones del motor) con conexiones de entrada y salida que se muestran como cables entre bloques. FBD es el lenguaje dominante en las aplicaciones de control de procesos: se asigna naturalmente a la representación del diagrama de instrumentación y tuberías (P&ID) familiar para los ingenieros de procesos, y la encapsulación de funciones complejas (bucles PID, control de válvulas, protección de motores) en bloques de funciones reutilizables estandarizados reduce significativamente el esfuerzo de programación en aplicaciones de plantas de procesos. La mayoría de las plataformas PLC orientadas a procesos y seguridad ofrecen amplias bibliotecas de bloques de funciones compatibles con IEC 61511 para funciones de seguridad y control de procesos comunes.
El texto estructurado es un lenguaje basado en texto de alto nivel sintácticamente similar a Pascal o C, que admite declaraciones condicionales, bucles, expresiones matemáticas, manejo de cadenas y estructuras de datos complejas que son engorrosas o imposibles en lenguajes gráficos. ST es cada vez más utilizado por ingenieros de automatización con experiencia en desarrollo de software y es el lenguaje preferido para el procesamiento de datos complejos, la gestión de recetas, el manejo de comunicaciones y cualquier aplicación que requiera una lógica algorítmica sofisticada que los lenguajes gráficos no pueden expresar de manera eficiente. La definición de texto estructurado del estándar IEC 61131-3 lo ha hecho realmente portátil entre diferentes plataformas de PLC: el código escrito en ST para el PLC de una marca se puede adaptar a la plataforma de otra marca con modificaciones relativamente menores, a diferencia del código de diagrama de escalera que tiende a utilizar instrucciones y convenciones específicas del fabricante.
El gráfico de funciones secuenciales representa los programas de control como un diagrama de flujo de pasos y transiciones: cada paso contiene acciones (programadas en LD, FBD o ST) y cada transición define la condición que debe cumplirse para que el programa avance al siguiente paso. SFC es el lenguaje natural para aplicaciones de secuenciación: ciclos de lavadoras, secuencias de procesos por lotes, operaciones de ensamblaje de varias etapas y cualquier aplicación en la que una máquina deba realizar una serie definida de operaciones en orden. Programar un proceso secuencial complejo en Ladder Diagram produce programas grandes y difíciles de seguir; la misma secuencia expresada en SFC se puede leer inmediatamente como un flujo de proceso y es mucho más fácil de depurar y modificar.
Los controladores lógicos programables modernos son tanto dispositivos de red como controladores de automatización. Las capacidades de comunicación de un PLC determinan cómo se integra con otros equipos de automatización, sistemas de supervisión, bases de datos empresariales y plataformas en la nube, una consideración cada vez más importante a medida que la automatización industrial evoluciona hacia arquitecturas conectadas de la Industria 4.0.
El mercado de PLC está dominado por un pequeño número de grandes empresas de automatización, cada una de las cuales ofrece un ecosistema completo de hardware PLC, software de programación, módulos de E/S, variadores, paneles HMI e infraestructura de comunicación que está diseñado para funcionar juntos sin problemas. Elegir un PLC de un fabricante en particular generalmente significa comprometerse con el ecosistema de ese fabricante para el sistema de automatización completo, lo que tiene implicaciones significativas para la integración, repuestos, capacitación y soporte a largo plazo.
| Fabricante | Familias clave de PLC | Entorno de programación | Red industrial primaria | Fortaleza del mercado |
| Siemens | S7-1200, S7-1500, S7-300/400 | Portal TIA (Paso 7) | PROFINET,PROFIBUS | Europa, industrias de procesos globales |
| Rockwell Automation (Allen-Bradley) | ControlLogix, CompactLogix, Micro820 | Diseñador Logix Studio 5000 | Ethernet/IP, DeviceNet | Norteamérica, automoción, alimentos y bebidas. |
| Mitsubishi Electrico | MELSEC Serie iQ-R, iQ-F, Q | GX Obras3 | Enlace CC IE, SLMP | Asia-Pacífico, automoción, semiconductores |
| Electricidad Schneider | Modicon M580, M340, Serie TM | Experto en control de EcoStruxure | Modbus TCP, Ethernet/IP | Industrias de procesos, energía, infraestructura. |
| Omron | Serie NX, NJ, CP | Estudio Sysmac | EtherNet/IP, EtherCAT | Asia, automatización de máquinas, control de movimiento. |
Los PLC se analizan con frecuencia junto con los sistemas de control distribuido (DCS) y los sistemas de control de supervisión y adquisición de datos (SCADA), y los límites entre estas categorías se han desdibujado significativamente a medida que la tecnología ha evolucionado. Comprender las distinciones (y dónde han convergido) es importante para especificar la arquitectura de automatización correcta para una aplicación determinada.
Un sistema de control distribuido es una arquitectura de automatización en la que las funciones de control se distribuyen entre múltiples controladores desplegados cerca del proceso que se controla, todos conectados a un sistema de supervisión centralizado a través de una red de planta de alta confiabilidad. Los sistemas DCS se desarrollaron para grandes aplicaciones de procesos continuos (petróleo y gas, petroquímicos, generación de energía, fabricación farmacéutica) donde se requieren miles de bucles de control analógicos, lógica de enclavamiento compleja y gestión integral de alarmas en una gran planta física. Los sistemas DCS priorizan la alta disponibilidad (controladores redundantes, E/S, energía y redes como estándar), capacidad integral de historial de datos de proceso y pantallas integradas en la estación del operador. La distinción entre un sistema PLC modular moderno de alta gama y un DCS de nivel básico ahora es marginal en términos de funcionalidad: las principales diferencias están en el entorno del software, el enfoque de la aplicación del proveedor y el modelo comercial.
SCADA (Control de supervisión y adquisición de datos) se refiere específicamente a la capa de supervisión: el sistema de software que recopila datos de PLC y otros controladores de campo, presenta información del proceso a los operadores a través de pantallas gráficas HMI, registra datos históricos y puede enviar comandos de punto de ajuste a los controladores. SCADA no reemplaza a un PLC: es la capa por encima del PLC que proporciona supervisión humana y gestión de datos. Una arquitectura de automatización industrial típica combina PLC a nivel de máquina o control de procesos, una red industrial que transporta datos entre PLC y sistemas de supervisión, y un sistema SCADA o MES que proporciona interfaz de operador, datos históricos e integración con sistemas comerciales.
Seleccionar el controlador lógico programable adecuado para una nueva máquina o aplicación de control de procesos implica evaluar una variedad de factores técnicos y comerciales que en conjunto determinan si el sistema cumplirá con sus requisitos funcionales, se entregará a tiempo y será compatible durante toda su vida operativa. El siguiente marco cubre los criterios de evaluación más importantes.
Un sistema PLC en funcionamiento continuo requiere mantenimiento proactivo y gestión del ciclo de vida para mantener la confiabilidad y evitar tiempos de inactividad no planificados. Las siguientes prácticas son estándar en operaciones de ingeniería de automatización bien ejecutadas.