UNIDAD 1

Universidad Nacional Abierta y a Distancia
Escuela de Ciencias Básicas, Tecnologías e Ingenierías
2150512 – PROGRAMACION DE PLC
JESUS OMAR VARGAS FLOREZ
Director Nacional del Curso
YHON JERSON ROBLES PUENTES
Acreditador
BUCARAMANGA
Julio de 2012
INDICE GENERAL
Protocolo Académico
 Introducción
 Justificación
 Intencionalidades formativas
 Propósitos
 Objetivos
 Competencias
 Metas de aprendizaje
 Unidades didácticas
 Mapa conceptual
 Contexto Teórico
 Metodología
 Sistema de evaluación
UNIDAD 1 – Familiarización con los Controladores Lógicos Programables
Capitulo 1. Introducción a los PLC
 Lección 1
Revisión de presaberes
 Lección 2
Introducción a los PLC
 Lección 3
Repasando los sistemas numéricos
 Lección 4
Operaciones Lógicas
 Lección 5
Designación de entradas y salidas
Capitulo 2. Variables de proceso.
 Lección 6
Variables análogas
 Lección 7
Variables Digitales
 Lección 8
Sensor
 Lección 9
Actuador
 Lección 10
Entrada y salida Discreta
Capitulo 3. Entorno de operación y modos de trabajo
 Lección 11
Familiarización del Hardware
 Lección 12
Conceptos básicos de PLC
 Lección 13
Entorno de trabajo
 Lección 14
Modos de operación
 Lección 15
Terminologías de operación
UNIDAD 2 – Programación del PLC
Capitulo 4. Configuración y mando de los PLC
 Lección 16
Introducción a la programación
 Lección 17
Instalación y Familiarización del software
 Lección 18
Mirada general del Hardware Siemens modelos S7
Modos de operación del Hardware Siemens modelos
 Lección 19
S7
 Lección 20
Simbologías
Capitulo 5. Manejo de equipos y programación de eventos
 Lección 21
Preliminares de operación y manejo de instrucciones
 Lección 22
Operaciones lógicas y bloques de funciones
Ejemplos prácticos de manejo operativo para
 Lección 23
entradas y salidas discretas
Manejo de instrucciones y operaciones basadas en
 Lección 24
contadores
Ejemplos prácticos agregando operaciones con
 Lección 25
contadores
Capitulo 6. Manejo de equipos y programación de eventos
Manejo de instrucciones y operaciones basadas en
 Lección 26
temporizadores
Ejemplos prácticos agregando operaciones con
 Lección 27
temporizadores
Manejo de instrucciones y operaciones con señales
 Lección 28
análogas
Ejemplos prácticos incorporando operaciones con
 Lección 29
señales análogas
Preámbulo a los métodos de comunicación para el
 Lección 30
PLC
Glosario de términos
Referencias bibliográficas
 SIEMENS. SIMATIC Sistema de automatización S7-200, Manual del sistema.
Tercera (3ª) Edición. Siemens AG, 2002.
 SIEMENS. SIMATIC PLC S7-300, CPU Specifications CPU 312 IFM to CPU
318-2 DP, Reference Manual. Edition 10/2001. Siemens AG, 2001
 URBACO S.A. Automatic Bollards User’s manual SIEMENS S7-224 PLC
Reference: RCPU224. Version 2. URBACO S.A, Junio de 2006.
 SIEMENS. SIMATIC Sistema de automatización S7-200. Número de referencia
del manual: 6ES7298-8FA24-8DH0. Edición Agosto de 2008. Siemens AG,
2008.
 Mateos, Felipe. Sistema automatizado con PLC’s. Estandarización con
Autómatas Programables. Universidad de Oviedo, Noviembre de 2001.
 Massieu, Wilfrido. Instalación y Operación de Controladores Lógicos
Programables, Plan 2008. Instituto Politécnico Nacional, 2008.
 Porras Criado, Alejandro. Autómatas programables: fundamento, manejo,
instalación y prácticas. Alejandro Porras Criado, Antonio Plácido Montanero
Molina. Primera (1ª) edición. España, 2003. ISBN 84-7615-493-3
 Balcells, Josep. Autómatas programables. Josep Balcells, José Luis Romeral.
1997. ISBN 84-267-1089-1
 Michel, Gilles. Autómatas programables industriales:
aplicaciones. Gilles Michel. 1990. ISBN 84-267-0789-0
arquitectura
y
ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO
Este curso está enfocado hacia el entrenamiento de los estudiantes en el manejo
de los Controladores Lógicos Programables (PLC) S7-200 que tiene la Universidad
Nacional Abierta y a Distancia (UNAD) en sus laboratorios, y se basa, a manera de
resumen, en la extracción de las funciones operativas más comunes que propone
el fabricante SIEMENS en los principales manuales de usuario que se entregan a
los operarios de planta cuando se adquiere el equipo.
Los manuales de los que se ha extraído la información, y en los que se puede
encontrar los conceptos más detallados, son:
 SIMATIC S7-200 Programmable Controller System Manual, en donde se
presenta toda la documentación técnica del equipo.
 Ladder Program Converter, Operation Manual – Appendix, Siemens Convert
Specification, en donde están de forma más completa los comandos y
operaciones de mando de los PLC.
 La bibliografía que complementa este curso, se toma como material de apoyo
para reforzar otros conceptos que son necesarios para la comprensión de las
tematicas.
Por lo tanto el objetivo de este curso no es más que brindarle las herramientas
necesarias a los alumnos para que puedan acoplarse con facilidad a los sistemas
industriales de producción automatizados, que por lo general su centro de mando
está controlado por un PLC, lo que le ampliaría sus posibilidades laborales.
El contenido didáctico de este curso en su primera versión, se ha adaptado para su
elaboración por parte del Ingeniero Jesús Omar Vargas Flórez, quien se desempeña
actualmente como el director nacional para este curso.
UNIDAD 1 –
Familiarización con los Controladores
Lógicos Programables
Capitulo 1. Introducción a los PLC
Para comprender de donde surgió el desarrollo de los controladores lógicos
programables, debemos mirar a través de una línea cronológica, como el hombre
sentía esa necesidad de crear maquinas que ayudaran en sus labores diarias y le
ahorraran esfuerzos físicos, que en ocasiones podían ser peligrosos para el mismo
ser humano. Es así como nace el término “automatización” y de ahí se derivan
equipos inteligentes como el PLC con la capacidad de seguir unas ordenes
previamente incorporadas, y mantener el control de varios dispositivos para que se
mantengas dentro de esos parámetros deseados.
Lección 1 – Revisión de pre saberes
Lección 1.1 – Historia de la automatización
El uso de las primeras herramientas de producción del hombre aparecen con las
necesidades en la agricultura y la caza, consideradas utensilios de primer orden con
las que podían golpear y romper objetos con superficies muy duras, para luego
migrar a herramientas con las que podían levantar pesos que doblaban el propio
con una vara a manera de palanca. Luego pasando por la rueda, este objeto circular
que puede girar sobre su propio eje y los grandes avances que trajo para las
civilizaciones, pues encontraron diversas aplicaciones para su uso, facilitando así el
trasporte terrestre y convirtiéndose en la pieza fundamental de varias maquinas,
entre esas las poleas; Los antiguos egipcios unían brazos mecánicos a base de
poleas a las estatuas de sus dioses, que a su vez eran operados por los sacerdotes
de los templos, quienes expresaban que el movimiento de estos eran inspiración
para los dioses.
En la medida que el hombre podía mejorar sus herramientas, a su vez las máquinas
evolucionando al punto que podían tomar formas naturales de energías renovables,
tales como el viento o un flujo de agua y aprovecharla en beneficio del trabajo
humano; un ejemplo sencillo fue la sustitución de los botes de remos por botes de
vela impulsados por el viento; otro ejemplo fueron las estatuas construidas por los
griegos que las operaban con sistemas hidráulicos, a su vez más sencillos de
manejar que los sistemas egipcios de polea, y con movimientos que podían causar
fascinación entre los adoradores del templo.
Paralelo al desarrollo de maquinas se iban desarrollando los diferentes métodos
para hacer cálculos, inicialmente el hombre aprendió a contar con los dedos, pues
era la forma más fácil y asequible ya que un humano promedio tiene diez dedos
entre las dos manos, por lo tanto se definió al 10 (decimal) como la base numérica
más usada. En un principio era suficiente para las cuentas básicas, pero con el
pasar de los días surgieron diversos métodos para poder incrementar las cifras, a
tal punto que en algunas civilizaciones optaron por contar con los dedos hasta
extenderse a las falanges, los dedos de los pies, los brazos u otras partes del
cuerpo. Era tal la insuficiencia de mantener el control numérico sobre las cosas, que
entre los años 600 y 500 A.C., surgió el Abaco como el primer dispositivo mecánico
de contabilidad, que tenía un sistema de barras y bolas móviles con el que se podía
operar según su ubicación, y así obtener resultados de forma fácil pero que
numéricamente eran grandes; se piensa que se originó en China o Egipto o
Babilonia, pero su verdadera aplicación en la historia se remonta a las antiguas
civilizaciones griega y romana.
Conforme se mejoraban las matemáticas y se acercaba el hombre a sistemas
numéricos acertados, también se arriesgaba al desarrollo de algunas nuevas formas
de automatización controladas por mecanismos más complejos que utilizaban
fuentes de poder artificiales que eran el resultado de su ingenio como el caso del
resorte, el flujo canalizado de agua o el vapor para producir acciones simples y
repetitivas, aplicados para la relojería o la creación de música, o en juegos
mecánicos para su diversión. Hacia el año de 1642 el científico francés Pascal
Blaise fue capaz de crear una moderna calculadora basada en ruedas dentadas que
al inicio solo podía sumar, pero luego de unas mejoras para los años siguientes ya
podía efectuar restas. Pascal la hizo patentar, pero no se cumplieron sus
expectativas de hacerse rico comercializando su invento por medio de una pequeña
empresa de su propiedad. Las máquinas, trabajosamente confeccionadas una a
una y a mano, eran demasiado caras como para poder venderse en volúmenes
mayores y solo llegó a fabricar cincuenta, de las que subsisten nueve.
Continuó entonces por toda Europa, entre los siglos XVII y XVIII, el ánimo por
construir muñecos mecánicos con similitudes de Robot, pero con la capacidad de
efectuar una labor humana compleja especifica. Esto impulso la revolución
industrial, que surge a mediados del siglo XVII, donde nacieron avances como:
1745: Se inicio con el desarrollo de máquinas de tejido controladas por tarjetas
perforadas, cuya patente fue finalmente asignada a Joseph Marie Jacquard quien
revoluciono la industria textil.
1751: el francés Jaques de Vaucanson construyó un torno de hierro con un carro
cruzado de latón, posteriormente perfeccionado por Ramsden en 1778 con un
husillo patrón. En 1797, Henry Maudslay aprovecho el principio de este último para
construir otro torno que por primera vez era capaz de fabricar mecánicamente
tornillos con paso de rosca constante. A mediados del siglo XIX aparecen los
primeros tornos revólver, en los que varias herramientas se colocan sobre una base
giratoria llamada cabeza-revólver, con lo que se logra hacer una pieza completa en
una sola máquina.
1772: después de seis años de duro trabajo, el virtuoso relojero suizo Pierre JaquetDroz dio por terminada la que sería su obra más perfecta: un pequeño autómata
capaz de escribir sobre el papel con una apariencia casi humana. Compuesto por
más de 6.000 piezas, el autómata asombró a los más importantes mandatarios del
momento y recorrió las cortes europeas durante meses, hasta el punto de que llegó
a encargarse una réplica para el emperador chino.
1798: el gobierno de los Estados Unidos, ante el temor de una posible guerra con
Francia, concedió al inventor Eli Whitney un contrato para fabricar 10,000. En esa
época en los Estados Unidos había tan solo unos cuantos maquinistas calificados.
Los rifles eran hechos a mano individualmente, de manera que las piezas de un rifle
no podían ser empleadas en otro. La idea de Whitney fue hacer las piezas de los
rifles tan parecidas entre sí que fueran intercambiables entre un arma y otra. Para
lograrlo Whiteny diseñó un rifle. Para cada parte del rifle hizo una plantilla, similar al
patrón de un vestido. Un hombre podría seguir este patrón para cortar un pedazo
de metal. Tuvo entonces que inventar la máquina que permitiera al hombre cortar el
metal siguiendo el patrón. Hasta entonces el metal era cortado con un cincel, lo que
requería destreza, fuerza y experiencia. Whitney creó una máquina que empleaba
una rueda dentada similar a un engrane, pero con las aristas ligeramente curvadas,
afiladas y endurecidas. Al girar la rueda o “fresa”, cada uno de los dientes golpeaba
el metal como un cincel, y la rotación facilitaba un golpeteó uniforme. La pieza
metálica se prensaba a la mesa, la plantilla se fijaba encima del metal y se cortaba
éste siguiendo el contorno de la plantilla. Esta máquina se le llamó “milling machine”,
conocida en español como “fresadora”. Una máquina tan avanzada para su tiempo
que permaneció prácticamente sin cambios durante casi siglo y medio. Eli Whitney
fue por tanto el inventor no solo de la fresadora sino de la estandarización y de la
producción masiva.
1805: El mecánico suizo Henri Maillardet, junto a sus hermanos Jacques-Rodolphe
y Jean David Maillardet, produjeron una serie de autómatas llamados magos, dentro
de los cuales se encontraba un autómata que hace dibujos y escribe versos en
francés y en inglés.
1850: Jacques de Vauncansos construyó varios muñecos mecánicos de tamaño
humano con la capacidad de tocar ciertos instrumentos.
1863: Henri Fourneaux inventó la pianola que es un piano que reproduce melodías
de forma automática, usando dispositivos neumáticos, las notas escritas en un rollo
perforado sin necesidad de un pianista.
1856-1890: Sir Joseph Whitworth enfatiza la necesidad de piezas intercambiables.
1870: Primer torno automático, inventado por Christopher Spencer.
Como se observa la “mecanización” fue la siguiente etapa necesaria para la
evolución hacia la automatización. La simplificación del trabajo permitida por la
división del trabajo también posibilito el diseño y la construcción de maquinas que
reproducían los movimientos del trabajador. A medida que evoluciono la tecnología
de transferencia de energía, estas maquinas especializadas se motorizaron
aumentando su eficiencia productiva. El desarrollo de la tecnología energética
también dio lugar al surgimiento del sistema industrial de producción, ya que todos
los trabajadores y las maquinas debían estar situados junto a la fuente de energía.
La máquina de transferencia es uno de los primeros dispositivos utilizados para
mover una pieza dentro de un proceso en el que se está trabajando, hacia la
siguiente operación de maquinado. Los robots industriales, diseñados en un
principio para ejecutar tareas sencillas en entornos peligrosos, son hoy
extremadamente hábiles y pueden efectuar acciones básicas de movimiento hasta
el traslado y ubicación espacial de piezas pesadas.
1920: La industria del automóvil empieza a utilizar conceptos como “sistema de
producción integrado” cuyo objetivo principal era reducir costos en la línea de
montaje. Este sistema de producción es con el que la mayoría de personas asocian
el término de “automatización”.
1940: Surgen los controles hidráulicos, neumáticos y electrónicos para máquinas de
corte automáticas.
1945-1948: John Parsons comienza investigación sobre control numérico. Este
ingeniero estadounidense inventor del sistema de control numérico desarrollo su
teoría inicialmente para la aeronáutica, pero después se le fue dando usos tan
variados como las máquinas herramientas digitalizadas (como el torno control
numérico), los chips de computadora y los automóviles, entre otros. También
desarrolló la unión adhesiva de estructuras metálicas en aeronaves, aplicado
especialmente en las hélices, entre otros logros.
1950: Se incorporan a la industria utilizan elementos electromagnéticos tales como
motores, relés, temporizadores, contadores, entre otros.
1960: Con la llegada de los semiconductores, se inician las investigaciones para
desarrollar nuevas tecnologías que permitieran un control lógico programado. La
industria buscó en las nuevas tecnologías electrónicas una solución más eficiente
para reemplazar los sistemas de control basados en circuitos eléctricos con relés,
interruptores y otros componentes comúnmente utilizados para el control de los
sistemas de lógica combinacional, que no permitían una falta de flexibilidad puesto
que un sistema de control con relés sólo servía para una aplicación específica, y no
era reutilizable.
1960-1972: Se desarrollan técnicas de control numérico directo y manufactura
computarizada.
1968: Ford y General Motors plantean las especificaciones que debe cumplir un
controlador electrónico programable para ser realmente útil en la industria. Bedford
associates desarrolla un prototipo de controlador industrial que puede ser
considerado el primer PLC de la historia en ese entocnes conocido como Modular
Digital Controller o MODICON, y el MODICON 084 fue el primer PLC producido
comercialmente con las características que había requerido la industria de General
Motors, pues era reutilizable, se adaptaba a entornos agresivos, era fácilmente
programable por técnicos eléctricos e implementaba electrónica de estado sólido
(semiconductores). Los primeros PLC se usaron para controlar procesos
secuenciales (cadenas de montaje, transporte, entre otros), pero su único problema
que faltaba por resolver era que la memoria era cableada y su reutilización podía
ser posible pero costosa.
1970: Aparecen los primeros microprocesadores a base de semiconductores, lo que
se consideraba como los primeros ordenadores digitales. Estos admitían más
flexibilidad por la facilidad de programación los que podía solucionar el problema de
las memorias cableadas, pero de entrada no se introdujo en la industria por la falta
de robustez y las dificultades que presentaba en su programación y en la conexión
a equipos mecánicos.
1975: Los autómatas incorporan el microprocesador a su estructura física, lo que le
dio ventajas significativas en la reprogramación sin tener que volver a cablear por lo
cual aumenta la flexibilidad del equipo. Además permiten realizar cálculos
matemáticos y se pueden comunicar con un ordenador central encargado de
controlar la planta enviando órdenes a los autómatas que gobiernan cada proceso.
1980-1983: Aumentan las mejoras en los autómatas, con mayor capacidad de
memoria, ya tenían la capacidad de gobernar bucles de control, más tipos de
entradas y salidas lo que permitía una conexión más flexible con los sensores y los
actuadores, tenían mayor velocidad de proceso, sus dimensiones más reducidas,
se incorporaron técnicas de control más complejas como PID y fuzzy, se agregaron
múltiples lenguajes programación más potentes (contactos, lista instrucciones,
GRAFCET, entre otros).
Aunque hoy en día, muchas industrias ya cuentan con sistemas robustos de
automatización, o bien utilizan tecnología de automatización en alguna etapa de sus
actividades, la industria de la aviación encabeza el listado de las tecnologías más
confiables ya que en sus desarrollos han llegado a generar pilotos automáticos y
sistemas automatizados de guía y control con la capacidad de efectuar diversas
tareas con más rapidez o mejor de lo que podría hacerlo un humano en el mismo
tiempo.
Lección 1.2 – Objetivos de la automatización
Dentro de los objetivos de la automatización debemos Integrar varios aspectos de
las operaciones de manufactura para:
• Mejorar la calidad y uniformidad del producto.
• Minimizar el esfuerzo y los tiempos de producción.
• Mejorar la productividad reduciendo los costos de manufactura mediante un
mejor control de la producción.
• Mejorar la calidad mediante procesos repetitivos.
• Reducir la intervención humana, el aburrimiento y posibilidad de error humano.
• Reducir el daño en las piezas que resultaría del manejo manual.
• Aumentar la seguridad para el personal.
• Ahorrar área en la planta haciendo más eficiente:
• El arreglo de las máquinas
• El flujo de material
Para la automatización de procesos, se desarrollaron máquinas operadas con
Controles Lógicos Programables (PLC), actualmente de implementación en la
industria. Para la información de las etapas de diseño y control de la producción se
desarrollaron programas de computación para el dibujo CAD (Computer Aided
Design – Diseño Asistido por Computador), con su derivación para el diseño en
CAE (Computer Aided Engineering – Ingeniería Asistida por Computador), para la
manufactura CAM (Computer Aided Manufacturing - Fabricación asistida por
Computador), con su división en CIM (Computer Integrated Manufacturing –
Fabricación Integrada por Computador), para el manejo de proyectos CAP
(Computer Aided Planning – Planeacion Asistida por Computador), para la
planeación de requerimientos MRP (Material Requirements Planning), para los
Análisis de Producción CAA (Computer Aided Analysis), las Interfaces Hombre
Maquina HMI (Human Machine Interface),entre otros.
La inserción de tecnologías de la información producción industrial de los países
desarrollados ha conocido un ritmo de crecimiento cada vez más elevado en los
últimos años. Por ejemplo, le Información amplia enormemente la capacidad de
controlar la producción con máquinas de control computarizado y permite avanzar
hacia mayores y más complejos sistemas de automatización, unas de cuyas
expresiones más sofisticadas y más ahorradoras de trabajo humano directo son los
robots, los sistemas flexibles do producción y los sistemas de automatización
integrada de la producción (Computer Integrad Manufacturing - CIM).
Aunque es evidente que la automatización sustituye a un alto porcentaje de la fuerza
laboral no calificada, reduciendo la participación de los salarios en total de costos
de producción, las principales razones para automatizar no incluye necesariamente
la reducción del costo del trabajo.
La mayor calidad en los productos se logra mediante exactitud de las máquinas
automatizadas y por la eliminación de los errores propios del ser humano; lo que a
su vez repercute grandes ahorros de tiempo y materia al eliminarse la producción
de piezas defectuosas.
La flexibilidad de las máquinas permite su fácil adaptación tanto a una producción
individualizadas y diferenciada en le misma línea de producción, como mi cambio
total de la producción. Esto posibilite una adecuación flexible a las diversas
demandas del mercado.
En conclusión, la automatización en los procesos Industriales, se basa en la
capacidad para controlar la información necesaria en el proceso productivo,
mediante mecanismos de medición y evaluación de las normas de producción; con
esto los fabricantes han podido incrementar la elaboración de sus productos y
reducir los costos operativos, por lo cual podemos hoy disfrutar en nuestras casas
de nuevas formas de comunicarnos, como por ejemplo los teléfonos móviles y las
computadoras, incluso podemos disfrutar de vehículos más económicos pero más
seguros para los pasajeros.
Lección 2 – Introducción a los PLC
Un Controlador Lógico Programable, o PLC por sus siglas en ingles “Programmable
Logic Controller”, es un computador especialmente diseñado para automatización
industrial encargado específicamente del control de maquinas o mecanismos que
se encuentran al interior del proceso de producción.
Una definición un poco más completa para un autómata programable la enuncia la
IEC-61131: “Un autómata programable es una máquina electrónica programable
diseñada para ser utilizada en un entorno industrial (generalmente hostil), que utiliza
una memoria programable para el almacenamiento interno de instrucciones
orientadas al usuario, para implantar soluciones específicas tales como funciones
lógicas, secuencias, temporizaciones, recuentos y funciones aritméticas, con el fin
de controlar mediante entradas y salidas, digitales y analógicas diversos tipos de
máquinas o procesos”.
A diferencia de un Pc tradicional, el PLC no tiene teclado, ni ratón, ni posee disco
duro o sistema operativo como el Windows de Microsoft; Se considera un
computador por que en su hardware posee microprocesadores, memoria, puertos
de comunicación tanto para entradas, que son los que interpretan las señales
enviadas por dispositivos de medición, como para señales de salida que son las que
actúan directamente sobre las maquinas de proceso. Además incorpora un sistema
operativo básico conocido como Firmware.
Los Controladores Lógicos Programables (PLC) continúan evolucionando a medida
que las nuevas tecnologías se añaden a sus capacidades. El PLC se inició como un
reemplazo para los bancos de relevos, pero poco a poco las matemáticas y la
manipulación de funciones lógicas se añadieron. Hoy en día son los cerebros de la
inmensa mayoría de la automatización, procesos y máquinas especiales en la
industria.
Los PLC se encuentran ubicados en el segundo nivel de la piramide de la
automatizacion, encargado del control de los equipos de campo y el envio de
informacion a los niveles superiores encargados de la supervicion, monitoreo y
administracion.
Lección 2.1 – Arquitectura de un PLC
Como un PLC es un dispositivo de estado sólido, basado en microprocesadores,
que permite el control secuencial en tiempo real de una maquina o proceso, pero
que a su vez permite dividir la arquitectura de hardware en siete (7) partes
fundamentales:
•
•
•
•
•
Unidad Central de Proceso (CPU).
Memoria de PLC.
Sistema de Entradas y Salidas (E/S).
Puertos de expansión.
Unidad de alimentación o fuente de voltaje.
• Consola de programación o interfaz con el operador.
• Interfaces dedicados a las comunicaciones.
Lección 2.1.1 – Unidad Central de Proceso (CPU)
La CPU se encarga de procesar el programa que el usuario ha introducido; toma
una a una las instrucciones programadas por el usuario y las va ejecutando, cuando
llega al final de la secuencia de instrucciones programadas, la CPU vuelve al
principio y sigue ejecutándolas de manera cíclica. Para ello, dispone de diversas
zonas de memoria, registros, e instrucciones de programa. Adicionalmente, en
determinados modelos, podemos disponer de funciones ya integradas en la CPU;
como reguladores PID, control de posición, entre otros.
En otras palabras, la CPU se encarga de todo el control interno y externo del PLC y
de la interpretación de las instrucciones del programa. En base a las instrucciones
almacenadas en la memoria y en los datos que lee de las entradas, genera las
señales de las salidas. Como la CPU es el corazón del autómata programable
podemos enumerar sus principales funciones son:
• Ejecutar el programa de usuario.
• Vigilar que el tiempo de ejecución del programa de usuario no excede un
determinado tiempo máximo (tiempo de ciclo máximo). A esta función se le suele
denominar Watchdog (perro guardián).
• Crear una imagen de las entradas, ya que el programa de usuario no accede
directamente a dichas entradas.
• Renovar el estado de las salidas, en función de la imagen de las mismas,
obtenida al final del ciclo de ejecución del programa de usuario.
• Chequear del sistema.
Generalmente, todas las unidades de procesamiento de los PLC están basadas en
microprocesadores de 8, 16 ó 32 bits, los cuales tienen capacidad de manejar los
comandos e instrucciones de entradas, los estados de las señales, también proveen
la capacidad de procesamiento lógico, la cual se encarga de resolver lógica
booleana, temporización, secuenciamiento, suma, resta, multiplicación, división y
conteo.
Otro factor que debe ser considerado como función primordial de la CPU, es la
ejecución inicial de un recorrido por todo el programa que está almacenado, a este
ciclo se del conoce como Ciclo SCAN y es una característica relevante que
diferencia al PLC de la RTU.
Gráficamente, se entendería que durante un SCAN el PLC ejecuta las siguientes
acciones:
Detalladamente, en el ciclo SCAN sucede de la siguiente manera:
• Se inicia al encender el procesador, se efectúa un auto chequeo (self test)
durante el cual, el procesador deshabilita las entradas y salidas, realiza test de
memorias, revisión del programa, test de configuración de las puertas de
comunicaciones. Una vez aceptado el test, se habilitan las E/S y se pasa a modo
de operación NORMAL.
• Una vez efectuadas estas comprobaciones y son aprobadas, la CPU inicia la
exploración del programa y reinicializa. Esto último si el autómata se encuentra
en modo RUN (marcha), ya que de estar en modo STOP (paro) aguardaría, sin
explorar el programa, hasta la puesta en RUN. Al producirse el paso al modo
STOP o si se interrumpe la tensión de alimentación durante un tiempo lo
suficientemente largo, la CPU detiene la exploración del programa y luego pone
a cero, es decir, desactiva todas las salidas. Lee estado de las entradas y
almacena la representación de los estados de estos puntos (ON/OFF) en una
tabla de imágenes de las entradas.
• El tiempo de exploración del programa es variable en función de la cantidad y tipo
de las instrucciones así como de la ejecución de subrutinas. El tiempo de
exploración es uno de los parámetros que caracteriza a un PLC y generalmente
se suele expresar en milisegundos por cada mil instrucciones. Para reducir los
tiempos de ejecución, algunas CPU's constan de dos o más procesadores que
operan simultáneamente y están dedicados a funciones específicas.
• Ejecuta la lógica programada en su programa usuario, y dependiendo del
resultado de cada una de las instrucciones se actualiza la tabla de imágenes de
las salidas.
• Mientras se está ejecutando el programa, la CPU realiza en intervalos continuos
de tiempo distintas funciones de diagnóstico (watch-dog). Cualquier singularidad
que se detecte se mostrará en los indicadores de diagnóstico del procesador y
dependiendo de su importancia se generará un código de error o se parará
totalmente el sistema. El tiempo total del ciclo de ejecución viene determinado
por los tiempos empleados en las distintas operaciones.
• Se actualiza el estado de las salidas, copiando hacia los módulos de salida el
estado de la tabla de imágenes de las salidas, modificando el estado de los
actuadores alambrados a estos módulos.
• Se repite el ciclo vuelve al punto 2º.
Lección 2.1.2 – Memoria de PLC
Dentro de la CPU vamos a disponer de un área de memoria, la cual se emplea para
diversas funciones:
• Memoria del programa de usuario: aquí introduciremos el programa que el PLC
va a ejecutar cíclicamente.
• Memoria de la tabla de datos: se suele subdividir en zonas según el tipo de datos
(como marcas de memoria, temporizadores, contadores, entre otros).
• Memoria del sistema: aquí se encuentra el programa en código maquina que
motoriza el sistema (programa del sistema). Este programa es ejecutado
directamente por el microprocesador o microcontrolador que posea el PLC.
Memoria de almacenamiento: se trata de memoria externa que empleamos para
almacenar el programa de usuario y en ciertos casos parte de la memoria de la tabla
de datos. Suele ser de uno de los siguientes tipos: EPROM, EEPROM, o FLASH.
Normalmente al interior del PLC se pueden clasificar dos tipos de memoria:
• La memoria de solo lectura o ROM: es la que almacena programas para el buen
funcionamiento del sistema.
• La memoria de lectura y escritura o RAM: está conformada por la memoria de
datos, en la que se almacena la información de las entradas y salidas y de
variables internas y por la memoria de usuario, en la que se almacena el
programa que maneja la lógica del PLC.
Según su capacidad: la memoria de los controladores programables pueden ser
vistas como un conjunto de celdas que almacenan unidades de información, de
acuerdo al sistema binario “1” o “0”. La capacidad de la memoria es un elemento
vital cuando se está considerando la aplicación del PLC. Se debe especificar la
cantidad justa de memoria que respalde el hardware y al mismo reservar capacidad
para requerimientos futuros. La cantidad de memoria de aplicación se especifica
en términos de K unidades, donde cada K representa 1024 palabras (words) de
localizaciones, 2K es 2048 localizaciones, 4K es 4096, y así sucesivamente.
Lección 2.1.3 – Sistema de Entradas y Salidas (E/S)
Las entradas y salidas (en español E/S o con su nomenclatura en ingles
Input/Output – I/O) de un PLC puede ser de aplicación digital, analógica o de
propósitos especiales.
• Las E/S digitales se identifican por presentar dos estados diferentes: ON
(encendido o presencia de estado alto de tensión) u OFF (apagado o estado bajo
que frecuentemente se relaciona con cero “0” voltios), o también se relaciona con
el estado en el que se encuentran los contactos que puede ser contacto abierto
o contacto cerrado. Estas E/S se manejan a nivel de bit dentro del programa de
usuario. Los niveles de tensión de las entradas digitales más comunes utilizados
en el entorno industrial son: 5 VDC, 24 VDC, 48 VDC y 220 VAC. Los dispositivos
de salida más frecuentes son los relés.
• Las E/S análogas se encargan de convertir una magnitud analógica (tensión o
corriente) equivalente a una magnitud física (temperatura, flujo, presión, entre
otras) en una expresión binaria. Esto se realiza mediante conversores analógicodigitales (ADC). Estas señales se manejan a nivel de byte o palabra (8/16 bits)
dentro del programa de usuario.
• Las E/S para propósitos especiales se utilizan en procesos en los que con las
anteriores E/S vistas son poco efectivas, bien porque es necesario un gran
número de elementos adicionales, bien porque el programa necesita de muchas
instrucciones o por protocolos especiales de comunicación que se necesitan para
poder obtener el dato requerido por el PLC (HART, Salidas con tren de impulso,
motores paso a paso).
Dentro de los elementos que van hacia las entradas del PLC se pueden encontrar
sensores o equipo manual de accionamiento como pulsadores normalmente
abiertos o normalmente cerrados, finales de carrera, llaves selectoras o demás
estaciones de botones.
En los elementos que se pueden instalar en las salidas del PLC encontramos a los
actuadores tales como motores, electroválvulas, servomotores, pilotos de
iluminación, relés, contactores, drives o variadores de frecuencia, o demás
elementos finales de control.
Lección 2.1.4 – Puertos de expansión
Cada PLC tiene un número máximo de puntos de entrada y salida que pueden
conectársele. Por lo tanto si se supera la cantidad de equipos instalados, el PLC
debe tener la posibilidad de aumentar su capacidad a través de puertos de
expansión, que son puertos especiales incorporados en algunos modelos de PLC
para posibilitar la adición de otros módulos. Generalmente estos puertos pueden ser
conectados a diversos módulos que funcionan a manera de E/S, y con los mismos
protocolos de comunicación con los que puede funcionar el PLC, pero que a su vez
repotencian las facultades del controlador aportando como ventaja el poder atender
labores muy especificas dentro del proceso; es por esta razón que en el mercado
existe en gran variedad, incluso existen fabricantes que ofrecen módulos de E/S
inteligentes para la realización de funciones especiales, algunos que se pueden
mencionar:
• Módulos de expansión para control discreto (para control eléctrico 120V AC, 24
VDC).
• Módulos de expansión para señales análogas con entradas o salidas en corriente
(para conectar transmisores 4−20 mA, RTD, termocupla).
• Modulo de expansión con respuesta TTL (para conectar dispositivos de estado
sólido)
• Módulo de expansión con funciones de salida para contactos (220V AC, 110
VAC)
• Módulos de expansión con contadores de alta velocidad (en sistemas de correas
transportadoras).
• Módulos de expansión con E/S aisladas.
• Módulos de expansión con operaciones inteligentes (algoritmos PID, Módulos
programables en Basic).
• Módulos para cambio de interfaz de comunicación, para casos donde por
ejemplo, existen uno o más formas de comunicarse con los equipos de campo, o
donde se necesita conectarse en forma remota al procesador a través de un
módulo adaptador de comunicaciones hasta 15000 pies de distancia, en
configuraciones tales como multidrop, daisy chain, estrella, entre otros.
Lección 2.1.5 – Unidad de alimentación o fuente de voltaje
Es la encargada de suministrar el voltaje a todos los módulos que se conecten al
PLC, así como a la unidad de procesamiento. Su función es reducir y adaptar el
voltaje de entrada, que generalmente se da en valores elevados y de corriente
alterna, a los valores requeridos para el funcionamiento del PLC que es en voltaje
de valor más bajo y de corriente directa.
Esto se logra primero, en una fase donde se reduce el voltaje de entrada a valores
más manejables. Luego entra a una segunda fase donde por medio de un
rectificador, debe ser convertido de CA a CD. Por último, se deben utilizar
reguladores para asegurar la estabilidad en el voltaje de salida.
En algunos casos, la fuente puede ser de tipo conmutada, cuyas principales
características son un peso reducido y una alta corriente de salida. El bajo peso se
debe a que no utiliza transformadores voluminosos.
Debido a la importancia de un PLC dentro de un proceso automático, la alimentación
de su circuitería es de suma importancia, por lo que un buen diseño debe involucrar
una fuente alterna que permita entrar en funcionamiento cuando se cae el fluido
eléctrico. Con esto, aseguramos que los dispositivos electrónicos internos no sufran
fallas por picos de sobre-voltaje y otros efectos contraproducentes existentes en la
red de distribución. Cuando la línea de voltaje excede estos límites ya sea por arriba
o por debajo durante un tiempo específico (usualmente de 1 a 3 ciclos), muchas
fuentes de poder están diseñadas para emitir un comando de parada (Shutdown) al
procesador.
Otra opción es mantener la fuente de los PLC conectada a una UPS (Uninterruptible
Power Supply) o fuente ininterrumpida de potencia, la cual suministra el voltaje
adecuado, por un tiempo determinado, cuando falla el fluido eléctrico. Esto ayuda a
que el PLC no tenga tantos ciclos de apagado brusco, los cuales pueden ser muy
perjudiciales.
En el momento de adquirir un PLC, entre los parámetros a tener en cuenta debemos
incluir algunos que hacen mención a la fuente de poder. Los más comunes son los
siguientes, los cuales se deben ajustar de acuerdo a las necesidades del proceso y
del PLC como tal:
Voltaje de entrada
Voltaje de salida
Corriente de salida
Frecuencia de operación
Protecciones
Oscila entre 110 VAC a 240 VAC
Puede estar entre 12 VDC y 24 VDC
Generalmente entre 1 y 3 amperios
50 Hz ó 60 Hz
Sobre-corrientes y sobre-voltajes
Los autómatas programables incluyen una batería de respaldo para alimentar la
memoria del programa cuando éste sea desconectado de la alimentación de red
eléctrica. También puede ser utilizada para el almacenamiento de algún tipo de
configuración del mismo, en caso de que ésta sea guardada en memoria volátil.
Dichas baterías son recargables y la operación de carga es efectuada por el mismo
equipo en forma automática. El tiempo total de duración oscila entre 2 y 10 años,
tiempo después del cual deben ser reemplazadas para que el autómata tenga un
funcionamiento adecuado. Para el reemplazo, se deben tener en cuenta su tamaño
físico, el voltaje nominal y su capacidad en mA/h (miliamperios hora), parámetros
que deben ser iguales a los de la batería original.
Lección 2.1.6 – Consola de programación o interfaz con el operador
Se trata de un elemento que aparentemente es complementario pero se emplea con
mucha frecuencia en la operación de un PLC, ya que es un dispositivo por medio
del cual se van ingresando a la memoria del equipo, las instrucciones que componen
al programa de usuario con las cuales se van a realizar las acciones de control en
el proceso industrial. Algunos PLC están equipados con un dispositivo de
programación que físicamente tiene el aspecto de una calculadora, y en su teclado
se encuentran todos los símbolos que se emplean para la elaboración de un
programa de control, además cuenta también con una pantalla de cristal líquido en
el que se exhibe gráficamente la representación de la tecla que fue oprimida.
Normalmente el dispositivo programador se encuentra dedicado exclusivamente a
la tarea de generar los comandos e introducirlos al PLC (acto de programar), este
elemento por obvias razones es construido por la misma compañía que fabrica el
PLC, por lo cual tiene que ser el adecuado y poseer toda la capacidad de comunicar
al usuario con el PLC.
El dispositivo programador requiere de un cable por medio del cual se envían las
instrucciones del programa a la memoria de usuario del PLC, el cable que casi todos
los fabricantes de PLC emplean conduce los datos en una comunicación serial.
De acuerdo con la evolución que día con día se va obteniendo en el ramo de la
electrónica, se genero otra manera de programar un PLC de forma más versátil, y
es por medio del empleo de una computadora de escritorio o portátil, la cual
necesariamente debe de contar en una de sus ranuras de expansión con una tarjeta
de interfaz de comunicación. A través de un cable de comunicación serial se
interconecta la tarjeta de interfaz con el micro controlador del PLC, y por medio de
un software especial que a la vez resulta amigable al usuario se va escribiendo el
programa de control, para su posterior interpretación y envío.
El empleo de una computadora personal cada vez cobra más auge ya que es muy
fácil realizar la programación de un PLC, y en la actualidad no solo se genera el
programa sino que también se puede simular antes de que se descargue el
programa en la memoria del PLC, fomentando con esto una mayor productividad y
un mejor desempeño al prácticamente eliminar los posibles errores tanto de sintaxis
como el error lógico.
Mediante cualquiera que se la interfaz con el operador que se utilice, deberá
funcionar como un terminal de programación el cual sirve para introducir, modificar
y editar el programa de usuario que ejecutará el procesador central, resistente al
ambiente industrial y de tipo portátil. También permitirá el diagnóstico y localización
de fallas. También podrá adaptarse a diversos periféricos auxiliares que proveen los
fabricantes tales como:
• Teclado de programación portátil
• Pantallas para gráficos en color
• Impresoras para reportes
• Diagramas mímicos
• Interfaz a computador
• Monitor de alarmas
Lección 2.1.7 – Interfaces dedicados a las comunicaciones
La arquitectura del PLC se basa en módulos internos y externos que se comunican
entre sí a través de “buses” que conforman la estructura utilizada para la
comunicación:
Básicamente para los módulos internos, existen tres tipos de buses: el de datos, el
de direcciones y el de control; todos físicamente de ven como líneas paralelas de
cobre sobre un circuito impreso, con conectores donde se instalan los módulos que
van a formar parte del sistema. A continuación conoceremos la función de estos
buses:
• Bus de datos. Es el bus encargado de transportar la información proveniente de
las entradas y las salidas, por lo tanto transporta los datos de proceso
• Bus de direcciones. Contiene la información del dispositivo hacia dónde van los
datos que provienen del bus de datos. Esto es necesario ya que el bus de datos
es el mismo para todos los dispositivos, pero no toda la información se dirige
hacia el mismo dispositivo.
• Bus de control. Es el bus por donde viaja la información que indica al dispositivo
seleccionado, con el bus de direcciones, lo que se debe hacer con los datos que
provienen del bus de datos. Por ejemplo, mediante el bus de control se indica si
los datos son de entrada o son de salida.
Para las comunicaciones con dispositivos externos o módulos complementarios al
PLC, y que en la mayoría de los casos abarcan un gran número de posibilidades,
se tienen medios de comunicación con protocolos que van desde las redes internas
(LAN, VLAN, VPN, entre otras), hasta comunicación con módulos auxiliares de E/S,
con memoria adicional, y hasta la conexión con otros controladores del mismo o de
varios fabricantes. Por esta razón, la red de comunicaciones externa tiene una gran
importancia pues permite una utilización más completa de las capacidades de un
sistema de producción avanzado. Mediante el uso de redes de área local se pueden
interconectar varios PLC y las diferentes componentes que forman el sistema total,
logrando con ello su mejor administración y operación.
Las redes de área local son redes de datos que proporcionan las herramientas de
comunicación, hardware y software, para realizar un control supervisor con
computador, o bien para conectarse a niveles superiores de control, como seria por
ejemplo un sistema de control distribuido.
Las redes de comunicación deben proporcionar una actualización a alta velocidad
de todos los estados de la planta que están siendo monitoreados, especialmente
condiciones de alarma, y comandos entrados por el operador debido a esto la
mayoría de las redes de área local operan con velocidades de transmisión elevadas
de hasta 56K baudios. La segunda generación de redes está teniendo conexiones
que permiten a los periféricos enviar información a velocidades mayores (sobre 1M
baudios).
Los controladores programables y aparatos periféricos tienen puertas seriales, del
tipo RS232C, que permiten hasta un máximo de 19200 baudios, por lo cual los
proveedores proporcionan módulos de interfaz adecuados para conectarse a la red.
Algunos fabricantes están procurando incorporar dichas interfaces dentro del los
PLC para dotarlos de la capacidad de comunicación.
Existe una gran cantidad de redes locales para integrar un conjunto de PLC: Control
Net, COPnet, Data Highway, CEnet, Modbus, Ourbus, RNet, Sy/net, TI/Way I,
Westnet, Specter Net, entre otros, siendo la mayoría de ellas incompatibles entre sí.
En algunos casos se logra la compatibilidad mediante módulos adicionales de
manera de tener comunicación con otros sistemas.
En estos últimos años se ha hecho bastante esfuerzo para establecer normas y
protocolos para las redes de área local, las cuales ofrecerán compatibilidad entre
equipos de diferentes proveedores, particularmente en Estados Unidos, donde las
normas están siendo recopiladas por el Comité IEEE 802, Proway y la Oficina
Nacional de Normas. Todas estas normas serán compatibles con el modelo OSI
(Open Systems Interconnection), ya especificado por la Organización Internacional
de Normas (ISO) la cual define la arquitectura básica para protocolo de red. Esto
hará más fácil el establecer puertas de acceso entre redes diferentes.
Algunos de los principales proveedores están trabajando para desarrollar una nueva
norma IEEE 802 para sistemas de redes. Habiendo en la actualidad redes de
comunicación en base a la norma IEEE 802.4.
En cuanto a medio físico de comunicación, éstos pueden ser cables de pares
retorcidos, cable coaxial o fibra óptica.
Entre las funciones posibles de realizar al disponer de una red de comunicación se
puede señalar:
• Lectura a distancia de registros de memoria de cualquiera de los controladores
de la red.
• Programar o alterar programas de los controladores desde un terminal central.
• Detectar y señalizar errores o fallas en cualquier controlador conectado a la red.
• Supervisión de comunicaciones.
• Visión amplia del proceso mediante gráficos en colores.
Actualmente se pueden conectar computadores personales a los PLC. para que
realicen una tarea de supervisión, manipulación de información, etc. La conexión a
uno o más PLC se hace generalmente a través de una red de comunicaciones serial.
De este modo la capacidad matemática más eficiente y la mayor velocidad de
procesamiento numérico de los computadores personales, se ocupa para realizar
funciones tales como: manejo de datos, generación de informes, recolección de
datos y programación off line. Esto, unido a las características industriales y
dedicadas de los PCs para control secuencial, conforma un sistema de control
poderoso y confiable.
Lección 2.2 – Clasificación de un PLC
Aunque la mayoría de los PLC vienen para ser instalados sobre rieles con normas
estándar (riel omega), podemos clasificarlos en dos tipos:
 Los PLC compactos
 Los PLC Modulares
Los PLC compactos son los que físicamente se muestran como un solo bloque y en
su interior se encuentran los componentes básicos propios de su arquitectura tales
como la CPU, la fuente de alimentación, la sección de entradas y salidas, y el puerto
de comunicación; este tipo de PLC se utiliza cuando nuestro proceso a controlar no
es demasiado complejo y no requerimos de un gran número de entradas y/o salidas
ó de algún módulo especial.
Un diagrama de bloques de una arquitectura basica de PLC compacto podria verse
como:
Los PLC modulares tienen como característica que se ensamblan por bloques
según la necesidad dentro del proceso, es decir, las entradas pueden ser bloques
independientes, al igual que las salidas, y todos independientes de la Unidad Central
de Procesamiento. Este tipo de PLC se dividen en:
• PLC modular con estructura Americana: en la cual solo se separan los módulos
de entradas y de salidas del resto del PLC.
• PLC modular con estructura Europea: Cada modulo realiza una función
específica, es decir, un modulo es la CPU, otro la fuente de alimentación, uno
para entradas de proceso, otro para las salidas, así respectivamente.
PLC Modular con estructura Americana
PLC Modular con estructura Europea
PLC Modular con estructura Europea:
1. Rack de alojamiento.
2. Barra de compensacion de
potencial.
3. Tarjetas de entradas y salidas.
4. Tarjetas de comunicación.
5. CPU
6. Tarjeta de memoria.
7. Fuente de alimentacion.
Un diagrama de bloques de una arquitectura basica de PLC modular podria verse
como:
Con su tecnología de operación, lo PLC han logrado posicionarse como una
herramienta de trabajo fundamental que tiene muchas ventajas y pocas
desventajas:
Ventajas
Desventajas
 Requiere
mano
de
obra
 Control más preciso
especializada en programación y
configuración
 Cuando no se utiliza todo su
 Mayor rapidez de respuesta
potencial termina por centralizar los
procesos
 Dependiendo del modelo y del
fabricante,
puede
necesitar
 Flexibilidad en el control de procesos
condiciones ambientales de trabajo
apropiadas
 Cuando se quiere controlar
procesos con tareas pequeñas o
 Seguridad en el proceso
sencillas, puede significar una
inversión de mayor costo.
 Mejor monitorio de funcionamiento
 Menor mantenimiento
 Detección rápida de averías
 Posibilidad de modificaciones sin
elevar costos por los cambios
 Menor
costo
de
instalación,
operación y mantenimiento
 Posibilidad de mando para varios
actuadores con el mismo autómata
 Integración e intercambio de datos
con más autómatas.
Lección 3 – Repasando los sistemas numéricos
En esta lección describiremos algunos de los sistemas numéricos que son usados
en los PLC y en sus lenguajes de programación. Los PLC almacenan y manipulan
números en forma binaria, esto es, que sólo usan el uno (1) y el cero (0), por lo tanto
tienen que tener una cierta convención para representar un número.
A continuación describiremos el sistema decimal, el binario, el sistema octal, el
sistema BCD, el sistema hexadecimal y sus propiedades; como dato adicional el
código Gray, que es usado con ciertos encoders.
Los PLCs ofrecen una cantidad fija de recursos dependiendo del modelo y de la
configuración. Usamos la palabra "recursos" para incluir memoria variable, puntos
de entradas y salidas, temporizadores, contadores, entre otros, que generalmente
están en grupos de entradas y salidas en cantidades de ocho (8), es decir, todos los
recursos de los PLCs son contados en el sistema octal. Es fácil para computar que
los computadores cuenten en grupos de ocho (8) porque (8) es una potencia de dos
(2).
Lección 3.1 – Sistema de numeración decimal
El sistema de numeración decimal, con el que cualquiera de nosotros trabaja
normalmente, necesita para la presentación de valores numéricos (números) diez
(10) cifras, es decir, las cifras comprendidas entre 0 y 9. Con estas cifras se forman
los números en el sistema de numeración decimal. Las cifras se encuentran en los
números unas tras otras, con la misma disposición que las letras en las palabras.
Las cifras solas no son suficientes. En la disposición de las cifras, para formar los
números, es importante la situación que cada una ocupa. Según la posición dentro
del número, cada cifra tiene diferente valor, el llamado valor de posición Estos
valores de posición son potencias de diez (10) en el sistema decimal. Al diez (10)
se le llama, por tanto, la "base" del sistema de numeración decimal. La posición de
la cifra dentro del número nos indica el valor de posición. En otras palabras,
numérico decimal es el que se cuenta en grupos de 10 a un tiempo esto es 0 a 9,
10 a 19, 20 a 29, así sucesivamente.
Esto viene de la numeración arábiga que usaba el cero, como mejoría de la
numeración romana.
Para formar el número 13452, lo que realmente se hace es efectuar la sumatoria:
(1x104)
(3x103)
(4x102)
(5x101)
(2x100)
(1x10000)
(3x1000)
(4x100)
(5x10)
(2x1)
La suma total
10000
3000
400
50
2
13452
Llamamos “peso” al número que multiplica cada dígito por la potencia de 10. Esto
es, el peso del digito más a la derecha (el menos significativo) es 1, el peso del
segundo digito hacia la izquierda es 10; el tercer digito es 100, y así sucesivamente.
Este concepto se usará posteriormente.
Esta explicación es necesaria para entender cómo funcionan los otros sistemas
numéricos.
Lección 3.2 – Sistema de numeración binario
Un número en base dos (2) puede expresar cualquier número equivalente en
decimal. Se toma el dos (2) como base por que solo se utilizan los símbolos cero
(0) y uno (1) para representar cifras.
Describimos como número binario a un número que es compuesto de 16 bits, cada
uno teniendo un peso de dos (2) elevado a la “n”, siendo “n” la posición relativa de
los bits; así como se muestra a continuación:
MSB
0
12
212
4096
0
11
211
2048
0
10
210
1024
0
9
29
512
0
8
28
256
0
7
27
128
0
6
26
64
0
5
25
32
0
4
24
16
0
3
23
8
0
2
22
4
0
1
21
2
LSB
0
0
20
1
n
2n
Peso
Un número binario es formado por la suma de los valores que contienen un 1 en el
bit correspondiente.
Por ejemplo, si queremos representar el número cien (100) decimal en su
correspondiente binario, debemos efectuar las siguientes operaciones:
1- Revisamos cual de los “pesos” está en capacidad de ser sustraído sin que el
resultado sea un numero negativo, es decir, debe ser menor que 100. Para
este caso sería 64, que se marcaria como un bit y por lo tanto:
100 – 64 = 36
2- Se repite la operación ahora con el 36 que fue el resultado de la resta, y
encontramos que: 36 – 32 = 4, por lo tanto 32 se marca con un bit.
3- Finalmente el 4 aparece directamente como un peso que se marca con un
bit.
4- A continuación se muestra la representación del número 100 en binario:
MSB
0
12
212
0
11
211
0
10
210
0
9
29
0
8
28
0
7
27
1
6
26
64
1
5
25
32
0
4
24
0
3
23
1
2
22
4
0
1
21
LSB
0
0
20
n
2n
Peso
Un número binario también puede contener tantos bits, como se defina un valor
dado por convención. En este caso el número 100 en binario en una convención de
ocho (8) bits seria:
Decimal 100 = 01100100 binario.
El Sistema de Numeración Binario es de especial importancia en la electrónica
digital, donde sólo son posibles dos valores: el "1" que siempre se relaciona con un
valor de voltaje "alto" y el "0" que se relaciona con un nivel de voltaje "bajo".
Relación
Nivel
Compuerta
Energizado
1
0
Alto
Cerrado
Encendido
On
Conectado
Bajo
Abierto
Apagado
Off
Desconectado
Conexión
Pulsos
o
High
señales
Low
Lección 3.3 – Sistema de numeración octal
El sistema numérico OCTAL significa simplemente que se cuenta en grupos de 8 a
un tiempo esto es 0 a 7, 10 a 17, 20 a 27, así sucesivamente, usando el 8 como
base.
Pero la conversión de cantidades en el sistema decimal al octal puede ser algo
dificultosa, por tal razón es preferible hacer primero la conversión de decimal a
binario y finalmente a octal que es más sencillo.
A continuación expondremos los dos ejemplos y queda a su propia elección con
cual se le facilita efectuar los cálculos.
En primer lugar, vamos a convertir el número 5357 que está en decimal a un valor
en el sistema octal. Por lo tanto iniciamos efectuando divisiones consecutivas, cuyo
divisor será el ocho (8), y a los resultados los vamos a separar en la parte entera y
la parte decimal (que en este caso estará después de la coma y me indica cuanto
sobra de la operación) para multiplicarle por ocho (8), veamos el ejemplo:
5357
669
83
10
÷8=
÷8=
÷8=
÷8=
1 ÷8=
669,625
83,625
10,375
1,25
Solo
decimal
Separamos
669 Y
0,625 x 8 =
Separamos
83 Y
0,625 x 8 =
Separamos
10 Y
0,375 x 8 =
Separamos
1 Y
0,25 x 8 =
Fin de la operación entonces se toma
directo
5
5
3
2
1
Por lo tanto el número 5357 en decimal está representado por el número 12355 en
el sistema numérico octal.
Ahora vamos a convertir el número 5357 que está en decimal a un valor en el
sistema binario y posteriormente lo convertiremos de binario a octal.
Como ya aprendimos en la lección anterior el número 5357 puede ser representado
en binario así:
MSB
1
12
212
4096
0
11
211
1
10
210
1024
0
9
29
0
8
28
1
7
27
128
1
6
26
64
1
5
25
32
0
4
24
1
3
23
8
1
2
22
4
0
1
21
LSB
1
0
20
1
n
2n
Peso
Por lo tanto el numero decimal 5357 en binario es 1010011101101. Ahora para
convertirlo a sistema octal, debemos agrupar de a tres (3) bits e interpretar
independientemente cada grupo como si fuera un único numero, así como se
muestra a continuación:
MSB
LSB
1
0
1
0
0
1
1
1
0
1
1
0
1
0
2
1
0
2
1
0
2
1
0
2
1
n
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
20
1
2
3
5
5
Valor
Nuevamente comprobamos que el número 5357 en decimal equivale al número
12355 en el sistema octal.
Lección 3.4 – Código de numeración BCD (Binary Coded Decimal)
Ya que los humanos naturalmente cuentan en el sistema numérico decimal,
preferimos entrar y ver datos en el PLC en valores decimales. Sin embargo los
computadores son más eficientes al usar números binarios puros. Una solución de
compromiso entre los dos es la representación BCD. Un dígito BCD tiene el rango
de 0 a 9 y es almacenado como cuatro bits (llamado un nibble). Esto permite que
cada localización de memoria almacene en cuatro dígitos BCD, con un rango de
números decimales de 0000 hasta 9999.
En un sentido binario puro, una palabra 16 bits representa un número de 0 a 65,536.
Al almacenar números BCD, el rango es reducido a 0 hasta 9999. Muchas
instrucciones aritméticas en el PLC usan datos BCD en que el rango es reducido a
0 a 9999, incluso algunos PLC manejan comandos que nos permiten convertir de
BCD a binario o viceversa. Revisemos el ejemplo siguiente como es representado
el número en sistema decimal 2579, tanto en binario como en BCD.
MSB
0
12
212
4096
1
11
211
2048
0
10
210
1024
1
9
29
512
0
8
28
256
0
7
27
128
0
6
26
64
0
5
25
32
1
4
24
16
0
3
23
8
0
2
22
4
1
1
21
2
LSB
1
0
20
1
0
1
0
1
0
0
0
0
1
0
0
1
1
20
23
22
21
20
23
22
21
20
23
22
21
20
n
2n
Peso D
BCD
Peso
BCD
El código BCD cuenta como un número binario normal del 0 al 9, pero del diez
(1010) al quince (1111) no son permitidos pues no existen, para estos números, el
equivalente de una cifra en decimal.
Este código es utilizado, entre otras aplicaciones, para la representación de las
cifras de los números decimales en display de 7 segmentos.
Decimal
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
8
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
BCD
4 2
0 0
0 0
0 1
0 1
1 0
1 0
1 1
1 1
0 0
0 0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
Lección 3.5 – Sistema de numeración hexadecimal
Los números hexadecimales son similares a los números BCD, excepto que ellos
utilizan todos los números binarios en cada nibble. Estos son números en base 16
de modo que se necesitan 16 dígitos diferentes. Para extender los números
decimales de 0 a 9 se usan las letras A hasta F, como se muestra a continuación.
Decimal
Hexadecimal
0
0
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
9
10
A
11
B
12
C
13
D
14 15
E F
Un numero hexadecimal de 4 nibbles puede representar hasta 65536 valores en
una palabra de 16 bits. El rango va desde 0000h hasta FFFFh, siendo el sufijo h la
indicación de que el número está representado como hexadecimal. A veces los PLC
necesitan todo este rango, por ejemplo, para datos de sensores con señales
análogas. El sistema hexadecimal es sólo una forma conveniente de ver datos
almacenados en forma binaria.
Revisemos mismo ejemplo anterior pero ahora vamos a representar el número en
sistema decimal 2579, tanto en binario como en hexadecimal.
MSB
0
12
212
4096
0
20
0
0
1
11
211
2048
0
10
210
1024
1
9
29
512
0
8
28
256
0
7
27
128
0
6
26
64
0
5
25
32
1
4
24
16
0
3
23
8
0
2
22
4
1
1
21
2
1
23
0
22
1
21
0
20
0
23
0
22
0
21
1
20
0
23
0
22
1
21
3
3
10
A
1
1
LSB
1
0
20
1
1
20
n
2n
Peso D
BCD
Peso
Valor D
Valor h
Por lo tanto el número en decimal 2579 representado en sistema hexadecimal seria
el A13.
Lección 3.6 – Código Grey
El código Gray es un tipo especial de código binario que no es ponderado (los dígitos
que componen el código no tienen un peso asignado). Su característica es que entre
una combinación de dígitos y la siguiente, sea ésta anterior o posterior, sólo hay
una diferencia de un dígito. Por eso también se le llama código progresivo, porque
es una sucesión binaria con la propiedad que sucede sólo un cambio de bit entre
cualquiera de dos elementos consecutivos.
El código Gray se puede usar para convertir la posición angular de un disco a la
forma digital (con un encoder, por ejemplo). Una línea radial de sensores lee el
código desde la superficie del disco y si el disco está en el medio entre dos
posiciones, cada sensor quizás lea su bit de ambas posiciones al mismo tiempo
pero ya que sólo hay un bit de diferencia entre las dos posiciones, el valor leído es
garantizado ser uno de los dos valores válidos antes que alguna combinación de un
tercero (inválido).
Un algoritmo posible para engendrar una sucesión de código Gray deberá cambiar
un bit que tiene como resultado un código nuevo cada vez. Aquí está una sucesión
Gray de cuatro bits de código engendrada de esta manera:
Decimal
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Binario
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
GRAY
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
Analizando la tabla se observa que:
• Cuando un número binario pasa de 0111 a 1000 (de 7 a 8 en decimal) o de 1111
a 0000 (de 16 a 0 en decimal) cambian todas las cifras.
• Para el mismo caso pero en código Gray: 0100 a 1100 (de 7 a 8 en decimal) o
de 1000 a 0000 (de 16 a 0 en decimal) sólo ha cambiado una cifra
La característica de pasar de un código al siguiente cambiando sólo un dígito
asegura menos posibilidades de error.
Lección 4 – Operaciones Lógicas
El álgebra de Boole, establece que todos los elementos tienen dos estados únicos
y basándose en esta teoría, establece unos postulados y operaciones para resolver
las ecuaciones que representan los automatismos y/o procesos establecidos,
obteniendo unos resultados que se deben traducir y ejecutar por sistemas
electrónicos, mecánicos, neumáticos o hidráulicos.
Desde el punto de vista del álgebra de Boole, el estado de cualquier elemento es
cierto o falso, o sea, en el caso de un interruptor estará cerrado o abierto, una
lámpara estará encendida o apagada, un relé estará activo o en reposo. Debido al
hecho de que sólo se consideren dos estados, es lo que ha llevado a llamarla
álgebra binaria o también álgebra lógica por comportarse de modo intuitivo y lógico.
Esto permite representar por símbolos, objetos de un circuito lógico con
equivalencia al circuito real representado.
A continuación efectuaremos un repaso de los operadores y propiedades del
algebra de boole enfocando la teoría en la implementación de circuitos
combinatorios simples., puesto que para algunas entradas o salidas del PLC será
necesario entender el estado digital que arroja como respuesta.
Algunas propiedades importantes:
Una compuerta es un dispositivo electrónico a base de semiconductores que
produce un resultado en base a un operador y a un conjunto de valores de entrada.
Cada el resultado de las operaciones lógicas se pueden representar a través de una
tabla de verdad.
Lección 4.1 – La suma lógica (OR).
La suma lógica de dos variables de entrada, se expresará en forma eléctrica como
dos interruptores conectados en paralelo, obteniendo cuatro estados posibles, de
los cuales sólo uno corresponde al estado de circuito abierto, ya que únicamente
cuando los dos interruptores estén abiertos también lo estará el circuito.
Lección 4.2 – El producto lógico (AND).
De dos variables, en forma eléctrica se expresará como dos interruptores en serie,
de cuyos cuatro estados posibles, sólo en el caso de estar ambos cerrados, también
lo estará el circuito eléctrico al que pertenecen.
Lección 4.3 – La compuerta (NOT).
La compuerta inversora siempre tiene una única entrada y una única salida y su
tabla de verdad se muestra debajo.
Lección 4.4 – Compuerta XOR u OR-EXCLUSIVA.
Las puertas EOR o conocidas por EXOR, es una puerta OR Exclusiva, en la que la
salida es verdad cuando sus entradas son iguales, independientemente del nivel o
estado, es decir los dos de afuera.
Lección 4.5 – Compuerta NOR.
Revisemos ahora lo que ocurre cuando conectamos un OR a un NOT en serie.
Aplicando todas las combinaciones posibles de unos y ceros en las entradas,
obtenemos la salida para cada combinación posible tomando en cuenta las
propiedades del OR y la acción inversora del NOT, con lo cual podemos construir la
siguiente tabla de verdad:
Lección 4.6 – Compuerta NAND.
De igual manera como se efectuó en la lección anterior, vamos a revisar que ocurre
cuando conectamos un AND a un NOT y cuya tabla de verdad para este circuito
deberá ser como se muestra a continuación:
Lección 5 – Designación de entradas y salidas
Dentro de los procesos de automatización donde están incorporados los PLC
ejecutando labores de control sobre los equipos de campo, se manejan
terminologías que se deben tener presentes y así de esta forma unificar el lenguaje
técnico que utilizamos. Aunque varios de estos términos de profundizaran en la
media que el curso avance, es bueno tener el bosquejo de estos conceptos.
 Sistema: Es la combinación de componentes que interactúan para lograr un
determinado objetivo. En este caso el sistema es el objeto a controlar.
 Entrada del sistema: Es una variable que al ser modificada en su magnitud o
condición puede alterar el estado del proceso.
 Salida del sistema: Es la variable que se desea controlar (posición, velocidad,
presión, temperatura, nivel, entre otros).
 Perturbación: Es una señal que tiende a afectar el valor de la salida de un
sistema. Si la perturbación se genera dentro del sistema se la denomina interna,
mientras que la perturbación externa se genera fuera del sistema y constituye
una entrada.
 Sensores o transductores: Captan las magnitudes del sistema, para saber el
estado del proceso que se controla.
 Valor de referencia: es el valor ideal que se pretende obtener a la salida del
sistema controlado. En un sistema más complejo, la salida es censada y
comparada con el valor de referencia a fin de determinar la diferencia entre
ambas para reducir el error de salida.
 Actuador o elemento final de proceso: Regula presiones, temperaturas, niveles y
caudales así como todas las funciones asociadas de temporización, cadencia,
conteo y lógica.
 Sistemas de Control de Lazo Abierto: Los sistemas de control de lazo abierto son
aquellos en los que la salida no tiene efecto sobre la acción del controlador, es
decir, la salida ni se mide ni se realimenta para compararla con la entrada. Por lo
tanto, para cada valor de referencia corresponde una condición de operación
fijada. Así, la exactitud del sistema, depende de la calibración.
Un ejemplo práctico es una maquina lavarropas, donde los ciclos de lavado,
enjuague y centrifugado en el lavarropas se cumplen sobre una base de tiempos.
La máquina no mide la señal de salida, es decir, la limpieza de la ropa. Una
lavadora, verdaderamente automática debería comprobar constantemente el
grado de limpieza de la ropa y desconectarse por sí misma cuando dicho grado
coincida con el deseado.
 Sistemas de Control de Lazo Cerrado: Un sistema de control de lazo cerrado es
aquel en el que la señal de salida tiene efecto directo sobre la acción del
controlador. La señal de error actuante, (que es la diferencia entre la señal de
entrada y la de realimentación) entra al control para reducir el error y llevar la
salida del sistema al valor deseado. En otras palabras el término “lazo cerrado”,
implica el uso de acción de realimentación para reducir el error del sistema.
 Sistemas de control analógicos: manipulan señales de tipo continuo (0 a 10V, 4
a 20 mA, entre otras). Las señales son proporcionales a las magnitudes físicas
(presión, temperaturas, velocidad, entre otras) del elemento controlado.
 Sistemas de control digitales: Utilizan señales binarias (todo o nada también
conocidas como ON/OFF).
 Sistemas control híbridos analógicos-digitales: generalmente comandados por
autómatas programables
Capitulo 2. Variables de proceso
Cualquier proceso industrial tendrá como objetivo principal la obtención de un
producto final, con unas características determinadas para que cumpla con las
especificaciones establecidas y unos niveles de calidad exigidos por el mercado,
cada día más restrictivos. Esta inalterabilidad en las propiedades del producto sólo
se mantendrá si de por medio existe un control exhaustivo de la condiciones de
operación, ya que las circunstancia del entorno de fabricación son variables en el
tiempo. Las principales características que se deben buscar en un sistema de
control serán:
 Mantener el sistema estable, independiente de perturbaciones y desajustes.
 Conseguir las condiciones de operación objetivo de forma rápida y continua.
 Trabajar correctamente bajo un amplio abanico de condiciones operativas.
 Manejar las restricciones de equipo y proceso de forma precisa.
Las variables de proceso son magnitudes tales como presión, flujo, nivel,
temperatura, entre otras, que van a ser controladas o supervisadas. El
entendimiento del comportamiento de las variables de proceso involucradas en una
medición permite una adecuada selección de la instrumentación a ser implantada
en un proceso industrial. Estas variables de proceso se pueden clasificar en dos
grupos:
• Variables análogas
• Variables Digitales
Lección 6 – Variables análogas
En nuestro diario vivir y en esa interacción directa que tenemos naturaleza con la
que podemos percibir diversos conjuntos de señales luz del sol que después de un
tiempo puede calentarnos, el sonido especifico que produce cada individuo y cada
objeto del entorno, la energía eólica que puede generar el viento cuanto mueve una
hélice, y en general señales que tienen una variación continua en el tiempo. Estas
mismas variables al interior de un proceso industrial se conocen como variables
análogas, y su definición expone que es toda aquella manifestación o fenómeno
físico que puede tomar infinitos valores entre dos puntos cualesquiera que se tomen
de la misma. El ejemplo más habitual de variable analógica es la temperatura,
puesto que si se analiza su variación durante un día, se observa que puede variar
significativamente desde la mañana hasta el trascurrir de la noche, y además no
puede pasar de una valor a otro dando un salto, es decir, que si la temperatura se
incrementa de 11 grados a 17 grados, podría tomar diversos valores intermedios
antes de llegar al punto máximo.
Para el caso especifico de los PLC, una entrada analógica es una señal eléctrica
proveniente de un sensor de campo que varía de acuerdo al cambio de las
condiciones del proceso que está midiendo.
Dentro de las variables análogas más comunes dentro del control en los procesos
industriales, tenemos:
• La Temperatura
• La Presión
• El Flujo
• La Viscosidad
• La Densidad
• El Nivel
Lección 6.1 – Variable análoga: Temperatura
La temperatura representa la cantidad de energía cinética que tienen las moléculas
de un cuerpo. También representa el potencial de realizar trabajo mediante
transferencia de calor.
Existen dos tipos de temperatura:
• Temperatura absoluta. Es la temperatura medida con respecto al cero absoluto
de temperatura, es decir, con mínimo movimiento molecular. La unidad para
temperatura absoluta es el grado Kelvin (ºK).
• Temperatura relativa. Es la temperatura de un cuerpo medida con respecto a la
temperatura a la cual se congela el agua. La unidad de temperatura relativa es
grado centígrado (ºC). (0ºC = 273,15ºK).
La variación de temperatura ocasiona diferentes fenómenos fácilmente medibles,
entre los cuales encontramos:
• Variaciones en el volumen de los cuerpos.
• Variación de la resistencia de un conductor.
• Variación de la resistencia de un semiconductor.
• Fuerza electromotriz creada en la unión de dos metales diferentes.
• Intensidad total de radiación emitida por un cuerpo.
Lección 6.2 – Variable análoga: Presión
La presión se define como la fuerza por unidad de superficie, y representa el
potencial de hacer trabajo por medio de fluidos.
Las unidad de presión en el SI es el Pascal (Pa) (1 Pa = 1 N/m2).
La presión estática causada por una columna de líquido o gas dentro de un
recipiente, viene dada por la siguiente expresión:
Donde “h” es la altura de la columna de producto.
Existen varios tipos de presión:
• Presión absoluta. Es la presión medida respecto al cero absoluto de presión, es
decir, vacío perfecto.
• Presión atmosférica. Es la presión ejercida por la atmósfera a nivel del mar. La
cual equivale a 14,7 psi de presión absoluta o a 760 mmHg. A la presión
atmosférica también se le denomina presión barométrica, por ser medida por un
instrumento denominado barómetro.
• Presión relativa. Es la presión medida con respecto a la presión atmosférica. A
esta presión también se le denomina presión manométrica.
La relación entre la presión absoluta y la presión relativa, viene dada por:
Cuando la presión relativa es inferior a la presión atmosférica se le llama presión de
vacío o simplemente vacío.
Lección 6.3 – Variable análoga: Flujo
Es la cantidad de volumen de un fluido que pasa por cierto punto por unidad de
tiempo. A esto también se le llama flujo volumétrico:
Cuando en lugar de utilizarse el volumen, se utiliza la masa, entonces se habla de
flujo másico:
La principal diferencia entre medir flujo másico y volumétrico está en que el flujo
volumétrico necesita ser compensado por los efectos del cambio de la densidad del
fluido por temperatura y presión, mientras que el flujo másico no requiere ser
compensado. Sin embargo, los instrumentos que miden flujo volumétrico son más
sencillos y de uso más difundido que los que miden flujo másico.
La ecuación que define el comportamiento de un fluido dentro de una tubería
suponiendo que no hay perdidas por fricción, que el flujo es laminar y que el fluido
es incompresible, es la denominada ecuación de Bernoulli, la cual establece que:
Donde:
P = Presión.
g = Aceleración de gravedad.
h = Altura de la tubería con respecto a un punto de referencia.
Según esta ecuación, al disminuir el diámetro de la tubería aumenta la velocidad y
disminuye la presión del fluido, de modo de mantener el flujo constante. En este
principio se basan algunos medidores de flujo, es decir, miden la caída de presión
ocasionada por una constricción momentánea en la tubería; el flujo entonces es
proporcional a la caída de presión:
Si el fluido es viscoso hay que añadir a la ecuación las pérdidas ocasionadas por la
fricción en la tubería, las cuales se pueden estimar mediante la siguiente ecuación:
Según esta fórmula la caída de presión en una tubería horizontal, de diámetro
uniforme (D), de longitud (L), y con un fluido desplazándose a una velocidad (v), es
directamente proporcional al factor de fricción (f), el cual es un parámetro que a su
vez depende del número de Reynolds (se decremento al aumentar el Re).
Para flujo laminar f = 64/Re, y para flujo turbulento, el factor de fricción depende de
Re y de la rugosidad de la tubería, y se puede calcular utilizando las gráficas de
Moody.
Lección 6.4 – Variable análoga: Viscosidad
La viscosidad es la fricción interna de un fluido. También se define como la
resistencia que ofrece un fluido a fluir. La viscosidad según Newton viene definida
como la relación entre esfuerzo cortante por unidad de área (F/A), entre velocidad
cortante por unidad de espesor (V/L) de una capa de fluido:
La unidad de viscosidad es el Poise (1 P = 1 g/cm.s). La viscosidad es un factor
importante, pues de ella depende el régimen de un fluido dentro de una tubería, y
de esto a su vez dependen la dinámica del proceso y la selección del tipo de
instrumento adecuado para medir flujo.
En una tubería se pueden encontrar dos tipos de flujo: laminar y turbulento. En el
flujo laminar, el fluido se desplaza en forma de laminas que se deslizan una sobre
otra, formando un perfil parabólico de velocidades a lo largo de la sección
transversal de la tubería. En el régimen turbulento el fluido se desplaza con un perfil
de velocidades plano a lo largo de la sección transversal de la tubería. En el flujo
turbulento se crean vórtices o remolinos que hacen que el fluido se mezcle.
La existencia de un tipo de flujo u otro, dentro de una tubería, depende de una
cantidad adimensional denominada número de Reynolds (Re), el cual se calcula
como:
Donde:
ν = velocidad del fluido.
d = diámetro de la tubería.
Si 0 < Re < 2000, se está en presencia de flujo laminar, y si Re > 3000 se está en
presencia de flujo turbulento. Si el número de Reynolds está comprendido entre
2000 y 3000, el flujo puede ser laminar o turbulento, o una transición entre ambos.
En la práctica, la mayoría de los diseños se realizan para que exista régimen
turbulento, y con Re > 10000.
De acuerdo al tipo de flujo que se tenga en una tubería, se puede estimar la distancia
mínima a la que debe ser colocado un medidor de flujo de un cambio brusco de
dirección del fluido en una tubería (por ejemplo un codo), de modo de garantizar un
perfil estable de velocidades en el punto en el cual va a ser instalado el medidor.
Esta distancia, es decir, desde el medidor al codo (Xt) es calculada de acuerdo a la
siguiente fórmula:
• Para flujo laminar:
Xt > 100.d
• Para flujo turbulento: para flujo laminar
Xt > 50.d
Lección 6.5 – Variable análoga: Densidad
La densidad (ρ) se define como la masa de un material por unidad de volumen.
La densidad de una sustancia varía con la temperatura, presión y composición de
la misma. En términos generales, la densidad disminuye al aumentar la temperatura
(aunque este no es el caso del agua), y aumenta al incrementarse la presión.
En el caso de los líquidos, la densidad varía principalmente debido a la temperatura,
y no a la presión.
Cuando la densidad de un líquido no varía significativamente con la presión, se dice
que el líquido es incompresible.
Una variable que se usa mucho para expresar la densidad de los líquidos y gases,
es la gravedad específica (densidad relativa), la cual se define como la relación
entre la densidad de la sustancia y la densidad de una sustancia tomada como
referencia a condiciones estándar de temperatura y presión (60 ºF y 14,7 psia (15ºC
y 1atm)).
En el caso de líquidos:
Y para los gases:
Otra variable utilizada para expresar la densidad, es la gravedad API (American
Petroleum Institute), que se utiliza principalmente para indicar la gravedad del
petróleo crudo. La relación entre la gravedad API y la gravedad específica, viene
dada por:
El volumen específico es otra variable asociada con la densidad. La relación entre
densidad y volumen específico es:
Lección 6.6 – Variable análoga: Nivel
Físicamente las variables de nivel se muestran como magnitudes que acumulan los
resultados de acciones tomadas en el pasado. Una característica común a las
variables de nivel es que cambian lentamente en respuesta a las variaciones de
otras variables, concretamente, las variables de flujo A cada nivel se le puede
asociar un flujo de entrada y de salida.
El nivel es una variable importante para algunas industrias y en otras es
indispensable, tales como la del papel y la del petróleo, por mencionar algunas
aplicaciones frecuentes donde las medidas de los niveles de los tanques y
recipientes de todo tipo, en canales, pozos, exclusas, vertederos, entre otros.
Esta medida sirve para determinar el contenido de los tanques para accionar
dispositivos de alarma y seguridad en los recipientes a presión, para el
accionamiento de válvulas y vertederos en la regulación de las centrales
hidroeléctricas, para la determinación de la altura de la lámina en los vertederos de
medidas, entre muchos otros. En la industria química la medida de nivel se requiere
para determinar la cantidad exacta de líquidos que hay que administrar en un
proceso de mezcla, entre otros. Finalmente la medición del nivel de fluido en los
procesos de destilación, calderas, entre otros.
La medida del nivel puede ser necesaria con mucha o poca precisión, con indicación
del nivel instantáneo o con registro continúo de la medida, con medición local o
transmisión a distancia de unos centenares o miles de metros. Forzosamente nos
limitamos a dar una breve idea de los instrumentos más importantes, relegando su
estudio más detallado a los manuales de instrumentación.
La unidad de nivel para contenidos sólidos se da en metros cúbicos [m3] y la unidad
de nivel para contenidos líquidos se da en generalmente en litros [L], o de pendiendo
de su tamaño podría darse en galones.
Los instrumentos para la medición de nivel varían en complejidad de acuerdo con
la aplicación y su dificultad. En la selección correcta de un instrumento para la
medición de nivel intervienen en mayor o menor grado los siguientes factores:
• Rango de medición.
• Naturaleza del fluido que va a ser medido.
• Condiciones de operación.
Los instrumentos que se mencionan a continuación cubren prácticamente todas las
aplicaciones de medición de nivel. Estos se aplican básicamente en dos (2) formas:
• Medición de nivel en acumuladores o contenedores abiertos: se clasifican dentro
de varias categorías: visuales, de presión o cabeza hidrostática (columna de
agua), de contacto directo o sea flotadores y otros tipos.
• Medición de nivel en acumuladores o contenedores cerrados: como digestores,
tanques para recibir condensados, evaporadores, entre otros, una medición
simple de presión hidrostática no se puede usar. La influencia de la presión en
un tanque cerrado incluye: el peso o presión del líquido y la presión o el vacío
ejercidos encima de la superficie del líquido. Bajo estas condiciones, la medición
de nivel de líquido debe hacerse con unidades de presión diferencial,
desplazamiento por medio de flotadores, dispositivos radioactivos, sónicos,
unidades de capacitancia y otras unidades eléctricas.
Lección 7 – Variables Digitales
Una variable digital es aquella que solamente puede tomar un determinado número
de valores. Generalmente toma solo dos estados como las de carácter binario.
Algunos ejemplos son: una lámpara encendida o apagada, una llave cerrada o
abierta, un circuito con tensión o sin tensión, entre otras. La importancia de las
variables binarias radica en el hecho de que los circuitos internos de las
computadoras trabajan con ellas.
A este tipo de variables también se les conoce como señales discretas y lo más
importante al trabajar con variables de dos estados es definir cuáles son esos
valores de trabajo mínimos y máximos que provendrán como señal de los
dispositivos de campo.
Lección 8 – Sensor
En todo proceso de automatización es necesario captar las magnitudes de planta,
para poder así saber el estado del proceso que se controla desde un PLC. Para ello
se utilizan los sensores y transductores, términos que se suelen emplear como
sinónimos aunque el transductor engloba algo más amplio.
En términos estrictos, un sensor es un dispositivo que no altera las propiedades
físicas de la magnitud sensada, así este se encuentre en contacto directo con la
misma. El sensor recibe la magnitud física y se la proporciona al transductor. Por
ejemplo, un sensor de temperatura sería un instrumento tal que no agrega ni cede
calor a la masa sensada, es decir, en concreto, sería un instrumento de masa cero
o que no contacta la masa a la que se debe medir la temperatura (un termómetro
de radiación infrarroja, por ejemplo).
El concepto estricto de transductor es un dispositivo que convierte una forma de
energía en otra (o una propiedad en otra), en otras palabras, tiene la misión adaptar
un tipo de energía en otro más adecuado para el sistema, convirtiendo una magnitud
física, no interpretable por el sistema, en otra variable interpretable por dicho
sistema. El transductor transforma una magnitud fisica que entrega el sensor en otra
que generalmente es de tipo eléctrico, de ahí que los transductores incluyan en su
estructura a los sensores y sean conocidos como instrumentación de proceso.
Por ejemplo, un generador eléctrico en una caída de agua es un conocido
transductor de energía cinética de un fluido en energía eléctrica; sobre esta base se
podría pensar, por ejemplo, en un transductor de flujo a señal eléctrica consistente
de un pequeño generador a paletas movilizado por el caudal a medir. Los
transductores siempre retiran algo de energía desde la propiedad medida, de modo
que al usarlo para obtener la cuantificación de una propiedad en un proceso, se
debe verificar que la pérdida no impacte al proceso sensado en alguna magnitud
importante.
En el campo de la automatización, la instrumentación y el control de procesos es
común que se hable de una forma genera sobre “sensores”, para englobar tanto
transductores como sensores, dándose por sentado que cuando se utilizan
transductores, la potencia que se absorberá será mínima. Es decir, es
responsabilidad del diseñador asegurar que la medición de una propiedad no altere
el proceso.
Lección 8.1 – Propiedades de los sensores y transductores
Cada sensor está diseñado con materiales especiales que garantizan su
funcionalidad ante la magnitud física a sensar. Esa relación entre la variable
sensada y el tipo de material del sensor crean unas propiedades específicas para
cada sensor, que se deben tener presentes al momento de su elección; las
propiedades que podemos destacar son:
• Precisión: Una limitación de los sensores es la precisión, que regula el margen
de imprecisión instrumental. Por ejemplo, dado un sistema de medición de
temperatura, de precisión 0,05 ºC, cuando su lectura fuese de 37,2 ºC significa
que la temperatura del ambiente medido está entre 37,15 y 37,25 ºC
• Rango de medida: Es la diferencia entre los máximos y los mínimos valores
entre los que se necesita medir. Se recomienda no utilizar un transductor para
medidas por debajo de 1/10 del máximo valor que se puede medir. Por ejemplo
si un transductor de presión puede medir hasta 1000 Pa, no se debería utilizar
para medir menos de 100 Pa (a esto se le denomina valor de fondo de la escala).
• Resolución: Es la variación detectable más débil. Expresa la posibilidad de
discriminar entre valores debido a las graduaciones del instrumento. Se suele
hablar de cantidad de dígitos para indicadores numéricos digitales y de
porcentaje de escala para instrumentos de aguja.
• Tiempo de respuesta: La medición de cualquier variable de proceso puede
implicar una demora que debe ser definida adecuadamente. Los tiempos de
respuesta se definen en base al tiempo necesario para obtener una medida
satisfactoria.
• Sensibilidad: Término utilizado para describir el mínimo cambio en el elemento
sensado que el instrumento puede detectar. Es la pendiente de la curva que
relaciona la salida eléctrica con la magnitud física a medir.
• No-linealidad: Es la distancia mayor entre la curva de funcionamiento del sensor
(en dirección ascendente) y la recta del punto inicial al final de funcionamiento.
• Histéresis: En ocasiones los caminos que sigue la gráfica (magnitud-señal
eléctrica) no tienen el mismo en al aumento y en la disminución.
• Repetitividad: cuando la medida se realiza varias veces, la gráfica magnitudseñal eléctrica no siempre pasa por el mismo lugar. La máxima diferencia será el
valor absoluto de la repetitividad.
Lección 8.2 – Clasificación de los transductores
Los transductores pueden ser dos (2) tipos según su fuente de alimentación:
• Activos: generan por sí mismos una señal eléctrica.
• Pasivos: no generan por sí mismos una señal eléctrica.
También se pueden clasificar de sensores según el tipo de señal de salida:
• Transductores Analógicos: en los que la señal de salida es un valor de tensión
o corriente entre un rango previamente fijado (normalmente 0-10 V o 4-20 mA).
• Transductores Digitales: que transforman la variable medida en una señal
digital, codificada en pulsos o en alguna codificación digital.
• Transductores On/Off: también conocidos como “todo-nada” son aquellos que
únicamente poseen dos estados, los cuales están separados por un valor umbral
de la variable detectada.
Además podemos clasificarlos en varios tipos, según la variable de proceso, según
el tipo de magnitud física a detectar y su método de sensado. Dentro de estos
podemos encontrar:
• Detección de posición, proximidad o presencia:
1. Finales de carrera mecánicos (Posición): Son interruptores que sirven para
determinar la posición de un objeto o de una pieza móvil: Cuando el objeto o
la pieza alcanza el extremo de su carrera, actúan sobre una palanca, émbolo
o varilla, produciendo el cambio de unos pequeños contactos. Los finales de
carrera tienen dos partes diferenciadas: la cabeza y el cuerpo. La cabeza es
el dispositivo captador y el cuerpo es el bloque que contiene los contactos
eléctricos o una válvula neumática/hidráulica.
2. Detectores de proximidad: Se denominan así a cualquier dispositivo eléctrico,
electromecánico o electrónico que reaccione de forma aprovechable ante un
objeto situado en un entorno definido del mismo. El entorno de reacción define
el campo de sensibilidad. Para que la reacción se produzca, sólo se precisa la
proximidad física entre el objeto y el detector sin que haya ningún tipo de
contacto mecánico entre ellos. En función del sistema detector se clasifican
en:
2.1.
Detectores de proximidad inductivos: Son todos los dispositivos
detectores de proximidad que utilizan un campo magnético (estacionario o
variable) como fenómeno físico aprovechable para reaccionar frente al
objeto que se quiere detectar. En función de los distintos tipos de materiales
ante los que son capaces de reacciona. Se emplean, por ejemplo, para el
posicionamiento de un objeto como un robot o piezas metálicas en una
cadena de montaje. Se clasifican en:
a) Detectores inductivos sensibles a materiales ferro-magnéticos: Sólo
reaccionan ante la presencia de materiales ferro-magnéticos. Utilizan un
campo magnético estático (producido por el propio detector) que se
modifica por la presencia del material ferro-magnético. Están más
próximos a los finales de carrera pues no precisan alimentación eléctrica.
Se utilizan cuando se requieren muchas actuaciones o cuando las
condiciones ambientales como polvo, humedad, entre otros, pueden
dificultar el funcionamiento de contactos mecánicos. Tienen el
inconveniente de no poderse utilizar en lugares donde se prevea que
pueden aparecer campos magnéticos o la existencia de materiales o
virutas de tipo ferro-magnético. Son económicos y sencillos de construir.
Se pueden clasificar:
• De contacto laminar: Constan de dos imanes permanentes y un relé
laminar normalmente abierto entre los imanes gracias al equilibrio de
campo magnético sobre él. Al introducir en el campo magnético un
objeto ferro-magnético, el campo se desequilibra y el contacto del relé
se cierra.
• De bobina: Utilizan la variación de un campo magnético estático (como
el caso anterior) para inducir en una bobina (situada en la posición que
ocupaba el contacto laminar) un impulso de tensión. No se pueden
utilizar donde existan virutas de tipo ferro-magnético. Son sencillos,
fáciles de aplicar y no necesitan al igual que los anteriores de tensión
auxiliar.
b) Detectores inductivos sensibles a materiales metálicos: Reaccionan ante
cualquier material capaz de provocar pérdidas por corrientes de Foucault.
Utilizan un campo magnético variable cuya dispersión en el espacio
define el campo de sensibilidad del dispositivo. Cualquier material que
puede absorber energía de dicho campo provocará un cambio de los
parámetros eléctricos del sensor que se utilice (generalmente una bobina
o un circuito oscilante LC). Se pueden montar total o parcialmente
empotrados. Existen versiones para CC y CA.
2.2.
Detectores de proximidad capacitivos: Son detectores que utilizan un
campo eléctrico (generalmente variable) como fenómeno físico
aprovechable para reaccionar frente al objeto que se quiere detectar.
Constan de un oscilador RC. La aproximación de un objeto a los electrodos
del condensador hace que la capacidad C aumente y varíe la amplitud de
la oscilación. Si el nivel de dicha amplitud decrece por debajo de un
determinado valor se produce una señal de conmutación que es débilmente
amplificada para actuar sobre elementos exteriores. Se emplean para
detectar líquidos conductores y no conductores, objetos metálicos,
sustancias en polvo o en grano (harina, trigo, grava, entre otros), detectores
de envases vacíos de tetrabrik. No deben ser utilizados con productos
adhesivos y el producto debe tener una densidad suficiente como para
perturbar el oscilador del detector.
2.3.
Detectores de proximidad ópticos: Los hay para distancias grandes y
pequeñas, por eso a veces sólo se les denomina detectores ópticos.
También se les suele llamar fotocélulas. Utilizan medios ópticos y
electrónicos para detectar objetos. Para ello utilizan un luz roja (visible) o
infrarroja (invisible). Como fuente de luz se utilizan diodos o transistores
emisores de luz.
Los detectores de luz roja se ajustan mejor que los de luz infrarroja. La luz
infrarroja es menos susceptible a las interferencias producidas por la luz
ambiental. Estos detectores constan de un emisor y un receptor. La
detección se realiza por reflexión, al devolver el objeto la luz recibida, o por
barrera. Pueden detectar cualquier tipo de objetos o productos: sólidos o
líquidos. Los tipos de montaje son: barrera, reflex y reflexión directa. Se
pueden clasificar en:
- Directos: el receptor y el emisor están en el mismo cuerpo (reflex y
reflexión directa).
- Con fibras ópticas acopladas: receptor y emisor no están en el mismo
cuerpo (barrera).
En ambos casos la luz es modulada por infrarrojos y por tanto insensible a
luces parásitas. La distancia de detección en el caso de los de reflexión
puede variar según el calor y el grado de brillo de producto. Pueden
reemplazar a los capacitivos e inductivos cuando se deseen distancias de
detección mayores. Para distancias grandes se utilizan las llamadas células
fotoeléctricas o fotocélulas, que también funcionan por infrarrojos y permiten
detectar todo tipo de objetos, productos móviles o personas: paso de
vehículos, paquetes, cajas, botellas, piezas de maquinarias, nivel de
líquidos y sólidos, paso o movimiento de personas, entre otros.
Las fotocélulas pueden ser:
- De barrera: la célula está compuesta por dos módulos (emisor y
receptor) colocadas uno frente a otro para detectar el paso del objeto o
persona. La distancia máxima a detectar es de 200m.
- De reflexión: La célula lleva el receptor y emisor montados en el mismo
bloque y detecta el paso de cualquier objeto situado entre ella y el
receptor. La distancia máxima alcanzada es de 10 m.
- De proximidad: La célula lleva el transmisor y receptor en el mismo
módulo y percibe el paso de cualquier objeto próximo a ella.
• Detección de desplazamiento o movimiento:
Se utilizan para medir longitudes y ángulos. También se pueden clasificar en
tres(3) grupos:
1. Transductores de desplazamiento para medidas de grandes distancias:
Utilizan principalmente el radar. El radar es un sistema para detectar, mediante
el empleo de ondas electromagnéticas la presencia y la distancia a la que se
encuentran objetos que interceptan en su propagación. Por medio de una
antena emiten radiaciones electromagnéticas en una determinada dirección.
Un receptor amplifica los ecos que recibe del objeto cuya distancia “D” se
desea medir.
Donde “c” es la velocidad de propagación de las ondas y “Δt” es el tiempo
transcurrido desde que la onda es emitida hasta que se recibe.
El radar se emplea en distancias mayores de 100 m, incluso más de 10 Km.
Para medir distancias inferiores a 100m se utilizan ultrasonidos (30 a 40 Hz)
cuya velocidad de propagación es mucho menor (340 m/s en el aire, 1450 m/s
en el agua y 4000 m/s en metales). Se utilizan en control de nivel de llenado
de tolvas, indicación de alturas, entre otros.
Un sistema basado en ultrasonidos utilizado en exploración náutica es el sonar
que utiliza la misma fórmula anterior.
En distancias medias, para topografía, se emplea el rayo láser. El principio es
semejante al de los captadores ópticos y se aplican las ecuaciones de las
ondas electromagnéticas.
2. Transductores de desplazamiento para medidas de distancias cortas: Cuando
la distancia que se va a medir no supera algunos metros, se utiliza un
potenciómetro acoplado sobre un eje roscado, cuyo movimiento determina la
posición del elemento móvil cuya posición se quiere medir. El principal
inconveniente en el empleo de potenciómetros es el desgaste que se produce
en el elemento móvil.
3. Transductores de desplazamiento para pequeños desplazamientos: Según
sea el tipo de transductor pueden ser:
3.1.
Resistivos: Existen resistencias de hilo metálico o material
semiconductor construidas para variar la resistencia al ser deformadas.
Estas resistencias se llaman bandas extensiométricas, y se adhieren sobre
el soporte adecuado para medir su deformación. También se emplean
potenciómetros (resistores sobre los que se desliza un contacto eléctrico
llamado cursor. Los modelos de potenciómetros disponibles
comercialmente admiten movimientos lineales y circulares. Los lineales se
utilizan para medir desplazamientos que vayan desde 1mm hasta 1m
aproximadamente. Los angulares a circulares se utilizan para medida de
ángulos que vayan desde 10º hasta algunas decenas de vueltas.
3.2.
Inductivos: Se utiliza un sistema formado por dos devanados planos
de igual paso, uno fijo y otro móvil que se desplaza sobre él. Si el devanado
fijo, que cubre todo el campo de medida, es alimentado por una corriente
alterna, se inducirá sobre el devanado secundario una señal cuya amplitud
dependerá de la fase en que se encuentren ambos devanados. Se suelen
colocar dos devanados móviles de forma que se pueda conocer el sentido
de la marcha. También pueden medir ángulos.
3.3.
Capacitivos: Pueden medir distancias de algunos metros. Tienen poca
exactitud. Se basan en que se puede variar la capacidad de un
condensador, modificando la distancia entre las placas. También pueden
medir ángulos.
3.4.
Medidores de ángulos o transductores de desplazamiento angular: son
muy utilizados en los sistemas de control, fundamentalmente cuando se
desea medir la variación producida en el eje rotor de un sistema motorreductor. Al igual que en los transductores lineales, podemos construir
transductores angulares aprovechando el efecto resistivo (potenciómetros),
inductivo y capacitivo, pero también se pueden utilizar discos codificados
(encoders) que permiten un tratamiento digital de la información angular
medida.
Los codificadores de posición o encoders son dispositivos que permiten la
medida de posiciones lineales o angulares suministrando una señal de
salida digital. No son más que unos discos planos que se acoplan
directamente, o mediante un sistema de engranajes, al eje rotor de un
motor-reductor, del cual queremos obtener su posición. En la superficie del
disco irá grabada, mediante bandas blancas y negras, o mediante muescas
perforadas en la superficie, la información digital que nos servirá para
averiguar el desplazamiento no posición angular a medir. En general a cada
paso angular le corresponderá una muesca o codificación distinta. Dentro
de codificadores digitales o encoders se distinguen:
- Codificadores relativos o incrementales: proporcionan información de
una posición relativa a una posición anterior (sólo se necesita una
información de 0 y 1, ya que el sistema cuenta el incremento de impulsos
a partir de la última posición). Pueden medir desplazamientos pero se
usan sobre todo en la medida de velocidades.
- Codificadores absolutos: Proporcionan información sobre una posición
concreta (por lo tanto es necesario un código binario). Los codificadores
se emplean en robótica, máquinas-herramientas, posicionamiento de
cabezales de discos magnéticos, radares, entre otros.
• Detección de Velocidad:
Una de las mediciones más importantes en las aplicaciones industriales es la de
la velocidad angular. Esto se realiza mediante los tacómetros, que pueden ser
mecánicos o eléctricos. También se puede medir la velocidad mediante
medidores de velocidad por impulsos y sistemas ópticos.
1. Tacómetros mecánicos: El más sencillo es el contador de revoluciones.
Consiste en un tornillo sinfín que se acopla al eje cuya velocidad se quiere
medir. Este tornillo hace rotar por un sistema de engranajes, a dos diales
concéntricos calibrados. Cada división del dial exterior representa una vuelta
del eje giratorio mientras que cada división del dial interior corresponde con
una vuelta del dial externo. Otro tacómetro mecánico es el tacómetro
centrífugo. Va provisto de dos bolas, que por efecto de la fuerza centrífuga, se
alejan tanto más del eje cuanto mayor sea la velocidad angular. Así se
comprime un resorte que va unido a un dispositivo provisto de una aguja
indicadora que señala sobre una escala la velocidad angular.
2. Tacómetros eléctricos: Los más importantes son:
- Tacodinamos o dinamos tacométricas: proporcionan una señal de corriente
continua. Están constituidos por un inductor que genera un campo
magnético mediante imanes permanentes o electroimanes y un inducido o
rotor ranurado sobre el que se bobinan unos devanados de hilo conductor.
Las bobinas devanados se conectan a las delgas del colector. Al girar el
rotor dentro de campo inductor hace que aparezca en las bornas de salida
a través de las escobillas una tensión continua con una ondulación reducida.
Suelen tener una sensibilidad entre 5 y 10 mV por cada r.p.m. y pueden
medir velocidades de hasta 10000 r.p.m.
- Tacoalternadores o alternadores tacométricos: proporcionan una señal
alterna senoidal con frecuencia y amplitud proporcionales a la velocidad de
rotación. A diferencia de la tacodinamo el elemento que gira es el inductor
o rotor formado por un imán permanente o electroimán. Tiene la ventaja
frente a la tacodinamo que no utiliza colector y escobillas, lo que le dota de
mayor duración. Tiene una sensibilidad comprendida entre los 2 y 10 mV
por r.p.m. Permite la medida de mayores velocidades que las tacodinamos.
3. Medidores de velocidad por impulsos y sistemas ópticos: Si tenemos un eje en
el cual hacemos una muesca capaz de ser detectada por un detector inductivo
de proximidad o mediante un sistema óptico, también podemos medir la
velocidad conociendo el número de veces que la muesca pasa por delante del
detector.
• Detección de Presión o Fuerza:
1. Transductores de presión mecánicos: Pueden medir la presión de manera
directa o indirecta.
1.1.
De manera directa: comparándola con la que ejerce un líquido de
densidad y altura conocidas. Un ejemplo es el Manómetro de tubo en U que
se utiliza para medir presiones cercanas a la atmosférica. Consta de un tubo
en forma de U (generalmente contiene mercurio) con una de las ramas
abiertas, mientras que en la otra se aplica la presión a medir. Como la
presión es distinta en las dos ramas hay un desplazamiento del mercurio,
de manera que la presión “p” a medir es:
1.2.
De manera indirecta: a través de la deformación que experimentan
diversos elementos elásticos constituyentes del transductor. Los más
comunes son: el Tubo Bourdon, elementos en espiral y en hélice, diafragma,
fuelle, entre otros.
- Tubo Bourdon: Es un tubo de sección elíptica, y curvado de manera que
forma un anillo casi perfecto. Al aplicar presión al fluido contenido en su
interior, el tubo tiende a enderezarse, transmitiéndose el movimiento de
su extremo (por un sistema de engranaje) a una aguja que se desplaza
por una escala graduada.
- Elementos en espiral y en hélice: Se forman enrollando un tubo Bourdon,
lo que da lugar a un desplazamiento considerable del extremo libre y a
un movimiento más amplio de la aguja indicadora.
- Diafragma: consiste en una o varias cápsulas o diafragmas circulares
soldados entre sí por sus bordes, de manera que al aplicar una presión,
cada cápsula se deforma y la suma de todas estas pequeñas
deformaciones es amplificada a continuación por un juego de palancas,
y transmitida a una aguja indicadora.
- Fuelle: Es similar al de diafragma, constando de una sola pieza (fuelle)
en la dirección de su eje, la cual puede dilatarse o comprimirse a causa
de la presión.
- Manómetros de presión absoluta: Usan la combinación de dos fuelles,
uno como medida de la presión relativa y otro para medir la atmosférica.
El movimiento resultante de la unión de los dos fuelles equivale a la
presión absoluta.
2. Transductores de presión electromecánicos: Utilizan un elemento mecánico
elástico (Bourdon, espiral, fuelle, entre otros) combinado con un transductor
eléctrico que se encarga de generar la señal eléctrica correspondiente.
2.1.
Galgas extensiométricas: se basan en la variación de longitud y
diámetro (y, por lo tanto, de resistencia) que tiene lugar en un hilo de
conductor o semiconductor al ser sometido a un esfuerzo mecánico como
consecuencia de una presión (efecto piezoresistivo).
En general el valor de la resistencia cumple la expresión:
Ro: Resistencia sin ningún esfuerzo aplicado.
K: Factor de sensibilidad de la galga (aproximadamente 2)
ε: deformación unitaria longitudinal (medida adimensional de la
deformación)
Para medir la variación de la resistencia eléctrica de las galgas se utiliza el
puente de Wheatstone.
Las galgas pueden ser una, dos o todas las resistencias del puente. Cuando
Us es cero el puente está en equilibrio. La variación de una de las
resistencias produce un desequilibrio. Cuando el puente está en equilibrio,
se cumple que R1.R3=R2.R4
Las galgas pueden ser cementadas y sin cementar. Las cementadas están
formadas por varios bucles de hilo muy fino pegado a una base cerámica,
papel o plástico. En las galgas sin cementar los hilos descansan entre un
armazón fijo y otro móvil bajo una ligera tensión inicial.
2.2.
Transductores piezoeléctricos: El efecto piezoeléctrico consiste en la
aparición de cargas eléctricas en determinadas zonas de una lámina
cristalina de algunos materiales siguiendo ciertos ejes, en respuesta a la
aplicación de una presión. El cristal se coloca entre dos láminas metálicas
que recogen las cargas eléctricas, siendo posible de esta forma medir las
variaciones de presión.
2.3.
Transductores resistivos: La presión desplaza un cursor a lo largo de
una resistencia a modo de potenciómetro cuyo valor se modifica
proporcionalmente a la presión aplicada.
2.4.
Transductores capacitivos: Miden la presión por medio de un
diafragma metálico que constituye una de las placas del condensador.
Cualquier cambio de presión hace variar la separación entre el diafragma y
la otra placa, modificándose la capacidad del condensador.
3. Transductores de vacío: Se emplean para la medida de alto vacío. No son
adecuados para presiones inferiores a 1 mm de Hg. Los más importantes son:
- Manómetro o vacuómetro de McLeod.
- Transductores térmicos: la energía emitida por un filamento por el que pasa
una corriente eléctrica es inversamente proporcional a la presión del gas
ambiental.
- Transductores de ionización: se basan en la formación de iones en el seno
de un gas, siendo su velocidad de formación, es decir su corriente iónica,
proporcional a la presión.
• Detección de temperatura:
La medida de la temperatura se realiza con mucha frecuencia en la industria. Los
transductores de temperatura más importantes son:
1. Termoresistencias: se basan en la variación de la resistencia de un conductor
con la temperatura. Se denominan también sondas de resistencia, sondas
termométricas o simplemente resistencias RTD. Sabemos que existe una
relación entre la resistencia y la temperatura de un cuerpo:
Donde Ro es la resistencia a To ºC, RT la resistencia a T ºC y α el coeficiente
de temperatura.
Es semejante a la de las galgas extensiométricas. Las termoresistencias están
constituidas por un hilo muy fino de un conductor metálico, bobinado entre
capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o de
cerámica. Para el hilo se pueden emplear platino, níquel, cobre o wolframio.
Las variaciones de resistencia que sufren se suelen medir mediante un puente
de Wheatstone.
2. Termistores: se basan en la variación de la resistencia de un semiconductor
con la temperatura. Se utilizan como medida de temperatura en motores
eléctricos, hornos, protección de sobrecargas, entre otros.
En función de cómo varía la resistencia con la temperatura se clasifican en:
- Termistores o resistencias NTC: son de coeficiente de temperatura
negativo, es decir la resistencia disminuye al aumentar la temperatura y
viceversa.
- Termistores o resistencia PTC: son de coeficiente de temperatura positivo,
es decir la resistencia aumenta o disminuye al aumentar o disminuir
respectivamente la temperatura.
3. Termopares: se basan en la fuerza electromotriz creada en la unión de dos
metales distintos por uno de sus extremos (efecto Seebeck). Cuando la unión
se calienta aparece una diferencia de potencial entre los extremos libres.
El efecto Seebeck recoge conjuntamente dos efectos: Peltier y Thomson. El
efecto Peltier provoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos
metales distintos cuando circula una corriente a través de la unión. El efecto
Thomson consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente
circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de
temperatura. Los termopares más utilizados son:
- De Cobre-constantan (-200 a 260ºC): Resistentes a la corrosión y se
pueden utilizar tanto en atmósferas oxidantes o reductoras.
- De Hierro-constantan (300 a 750ºC): Se emplea en atmósferas escasa de
oxígeno.
- De Cromo- Alumel (500-1000ºC): Se emplea en atmósferas oxidantes.
4. Pirómetros de radiación: se basan en la ley de Stefan-Boltzam, que dice que
la intensidad de la energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo es
función de la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo.
W: es la energía radiada por unidad de tiempo y superficie del emisor (W/m2)
σ0: es la constante de Stefan-Boltzam (5,67x10-8 W/m2.K4)
T: temperatura de la superficie emisora en K)
ε: emisividad del cuerpo emisor (representa el grado de aproximación del
cuerpo emisor a las características ideales del cuerpo negro).
Los pirómetros de radiación miden a distancia la temperatura de un cuerpo en
función de la radiación que emite. Pueden ser:
- Variación total: Formados por una lente que convierte la radiación del objeto
caliente en una termopila, transmitiendo los datos a una escala graduada.
Miden temperaturas del orden de 1000 ºC.
- Ópticos: utilizan la radiación visible correspondiente a una banda muy
estrecha de frecuencia y determinan la temperatura comparando la
intensidad de la radiación con la de otra conocida procedente de una fuente
auxiliar (por ejemplo un filamento de wolframio). Miden temperaturas del
rango de 1500 a 3000 ºC)
• Detección de luz:
Hacen uso de las radiaciones luminosas. Los más importantes son las
fotorresistencias o LDR, los fotodiodos y los fototransistores.
1. Fotorresistencias o LDR: varían su resistencia dependiendo de la luz que
inciden sobre ellas. Son de coeficiente de luz negativo, es decir la resistencia
disminuye al aumentar la luz o viceversa. La ley de variación de la resistencia
en función de la energía luminosa recibida es:
Donde k y α dependen del material que constituye la resistencia. Se debe tener
en cuenta para un proceso que la rapidez de respuesta de las LDR es escasa.
2. Fotodiodos: su funcionamiento se basa en la conducción inversa de un diodo
cuando éste se somete a la acción de la luz. Al aumentar la cantidad de luz
incidente se incrementa la circulación de corriente inversa. Cuando no hay luz
se comportan como un diodo normal.
3. Fototransistores: funcionan de manera similar a la de un transistor normal en
el que la corriente que se inyecta por la base del transistor ha sido suministrada
por la luz.
Lección 9 – Actuador y Elementos finales de control
Un actuador dentro de un proceso industrial automatizado, es aquel dispositivo que
recibe la orden directa del controlador y en función a ella es capaz de generar
fuerzas a partir de la energía hidráulica, energía neumática o energía eléctrica y a
su vez accionar o activar un elemento final de proceso de tal manera que se pueda
intervenir directamente en la variable ya sea corrigiéndola o limitándola a los valores
deseados, o, incrementando o disminuyendo sus labores de producción. Para
ilustrar un poco mejor la definición, imaginemos un motor acoplado a un sistema de
banda trasportadora sobre la cual van cajas que salen del proceso, por lo tanto el
controlador envía una orden al motor de aumentar sus revoluciones de tal forma
que de aumente la velocidad de despacho de las cajas, por lo cual siguiendo las
órdenes el motor “actúa” y a su vez el elemento final de control, que es la banda
trasportadora, recibe la fuerza que impone el motor para lograr el valor deseado en
la variable de velocidad.
Como se mencionaba, los actuadores pueden ser de carácter hidráulico, neumático
o eléctrico incluyendo en este último a los electrónicos.
Los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los
neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren
demasiado equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento
periódico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son
limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento.
El trabajo realizado por un actuador neumático puede ser lineal o rotativo. El
movimiento lineal se obtiene por cilindros de émbolo (éstos también proporcionan
movimiento rotativo con variedad de ángulos por medio de actuadores del tipo
piñón-cremallera). También encontramos actuadores neumáticos de rotación
continua (motores neumáticos), movimientos combinados e incluso alguna
transformación mecánica de movimiento que lo hace parecer de un tipo especial.
Los actuadores eléctricos también son muy utilizados en los aparatos mecatrónicos,
como por ejemplo, en los robots. Los servomotores CA sin escobillas se utilizaran
en el futuro como actuadores de posicionamiento preciso debido a la demanda de
funcionamiento sin tantas horas de mantenimiento.
Los actuadores se dividen en dos grandes grupos:
• Los de acción lineal
• Los de acción giratorio
Así entonces, por medio de la combinación de accionamientos con las formas de
energía que utilizan podemos encontrar ejemplos de actuadores que comúnmente
son empleados para accionar elementos finales de control. Algunos ejemplos son:
• Cilindros neumáticos de acción lineal o de efecto simple:
• Rotor de giro de tipo paleta quizá sea el más representativo dentro del grupo que
forman los actuadores de giro limitado:
• Motor hidráulico con embolo axial:
• Solenoide:
Lección 9.1 – Elemento Final de control
El elemento final de control es el que convierte las acciones mecánicas del Actuador
y toma operación directa sobre la variable de proceso sobre la que se quiere
intervenir.
Uno de los elementos finales de control más utilizados en procesos industriales es
la válvula de control o servo-válvula.
Una válvula es un dispositivo mecánico con un orificio de área variable que permite
iniciar, detener o regular la circulación (paso) de líquidos o gases, y de esta forma
modular el caudal de ese fluido que la atraviesa.
Generalmente los actuadores se acoplan a los vástagos o a la pieza en el cuerpo
de la válvula que mueve el obturador. De esta forma obtienen válvulas servo
operadas o más conocidas como servo-válvulas.
Algunas clases de válvulas que se pueden encontrar en los procesos industriales
son:
Válvula de globo
Válvula de ángulo
Válvula de compuerta
Válvula de Y
Válvula de Sunders
Válvula de mariposa
Válvula de bola
Válvula de flujo axial
Lección 10 – Entrada y salida Discreta
Es importante conocer las características de cada uno de estos módulos a la hora
de diseñar nuestro sistema de control, y es muy necesario saber qué tipo de señales
estamos manejando en nuestro PLC para determinar de manera más rápida, directa
y confiable de la posible causa de algún eventual problema, tenemos que saber
cómo poder medir o visualizar el valor de la señal eléctrica de entrada o salida de
cualquiera de estos módulos y tener muy claro las diferencias y características de
los diferente tipos de señales que existen.
Lección 10.1 - Las entradas discretas
También conocidas como entradas digitales, son las que poseen dos estados: “ON”
y “OFF”, con las cuales el PLC recibe información acerca del proceso.
Normalmente vienen de dispositivos conectados a la entrada del PLC Provienen de
Push-bottons o pulsadores, detectores de proximidad, interruptores de posición
como los finales de carrera, switches o interruptores, entre otros.
En la condición de ON, una entrada discreta puede ser llamada como uno (1) o
como un ALTO, mientras que en la condición de OFF se conoce como un cero (0)
o como un BAJO.
Lección 10.2 - Las salidas discretas
Las salidas discretas tienen también dos condiciones posibles: ON u OFF. La
diferencia es que en las salidas discretas se van a instalar actuadores que trabajen
de la misma forma, en dos estados. Por ejemplo los dispositivos más comunes son:
solenoides, bobinas de contactores, lámparas, válvulas solenoides, a luces pilotos,
contacto de relé, entre otros.
Capitulo 3. Entorno de operación y modos de trabajo
Después de efectuar un recorrido a modo general por un proceso industrial
automatizado, donde repasamos los dispositivos con los que va a interactuar
nuestro controlador, como las variables a las que tiene que supervisar, entramos
pues a este capítulo donde estudiaremos más a fondo los PLC S7-200 de la Marca
Siemens con CPU 224, enfocados hacia los equipos entrenadores que posee la
UNAD en algunos de sus laboratorios. Cabe anotar, que las simbologías, los
lenguajes de programación, funciones y demás aplicaciones pueden ser similares o
extensibles a los PLC de otros fabricantes, por lo tanto no pierda su interés por
mantener su aprendizaje en este curso.
Lección 11 – Familiarización del Hardware
El S7-200 es considerado un Micro PLC y es el miembro más pequeño de la gama
de autómatas programables de Siemens SIMATIC S7. La unidad de procesamiento
central (CPU) de estos modelos incluye también puntos de entrada y de salida en
la misma carcasa que la CPU.
Dependiendo de nuestro proceso, podremos supervisar los dispositivos como
interruptores y sensores analógicos para las entradas, y dispositivos discretos o
análogos en las salidas como por ejemplo motores y válvulas de control.
Una ventaja de estos PLC es que el puerto de programación también permite la
conexión a otros dispositivos, tales como paneles de visualización.
El PLC SIMATIC S7-200 destaca realmente: es compacto y particularmente potente
en lo que concierne a respuesta en tiempo real, además ofrece una conectividad
extraordinaria y todo tipo de facilidades en el manejo del software y del hardware.
Este PLC tiene una conformación modular consecuente que permite soluciones a la
medida que no quedan sobredimensionadas y que con facilidad pueden ampliarse
a futuro.
Todo ello hace del SIMATIC S7-200 una alternativa rentable auténtica en la gama
baja de PLCs. Para todas las aplicaciones de automatización que apuestan
consecuentemente por la innovación y los beneficios hacia el proceso.
Existen varios modelos de S7-200 que se clasifican según el modelo de la CPU:
Otras características técnicas entregadas por el fabricante son las tablas de voltaje
en relación a la fuente de alimentación, las entradas y salidas del PLC:
• En la primera columna observamos la descripción del modelo para cada CPU.
• En la segunda de fuente de alimentación con la que se va a energizar la CPU.
• La tercera columna indica la cantidad de entradas por CPU, el tipo de entrada y
su rango de voltaje.
• La cuarta columna indica la cantidad de salidas que tiene disponible la CPU, el
tipo de salida y su tango de voltaje.
A manera de ejemplo, una CPU 222 AC/DC/Relay, indica que la CPU debe ser
alimentada por una fuente de AC, que tiene ocho (8) entradas de DC, y tiene seis
(6) salidas por relé de contacto.
Se deben tener presentes también otras especificaciones de carácter interno para
la CPU, por ejemplo la capacidad de memoria, tipo de instrucciones, entre otros que
se relacionan a continuación:
La perspectiva general del hardware del PLC estaría compuesta por los siguientes
dispositivos:
La perspectiva general la CPU para este PLC, se identificaría de la siguiente forma:
Lección 12 – Conceptos básicos de PLC
En esta lección iniciaremos el contacto directo con el PLC y su CPU, haciendo
énfasis en sus terminologías, de tal manera que se vaya efectuando un
acercamiento de familiarización antes de efectuar practicas.
Lección 12.1 – Formas de conexión a la alimentación.
Preste mucha atención a las indicaciones que se entregaran a continuación, puesto
que omitirlas o efectuarlas erróneamente puede causarle daños físicos a usted o al
equipo.
Dependiendo del modelo de CPU tal como se mostro en la tabla de una lección
anterior, podemos encontrar PLC que se energicen con VCA o con VCD.
Tomemos como primer ejemplo una CPU 221 DC/DC/DC del modelo se alimente
de una fuente de alimentación de 24 VDC. Por lo tanto tendrá que conseguir una
fuente de voltaje nominal a 24 VDC con la capacidad para alimentar su CPU. Su
forma de conexión sería:
Como segundo ejemplo tomaremos una CPU 222 AC/DC/RELAY que se puede
alimentar a 120 o 240 VCA.
Lección 12.2 – Selección de modo operativo.
Cada CPU S7-200 dispone de un interruptor de modo operable en tres posiciones,
RUN, STOP, y TERM.
Cuando el selector de modo esté en la posición RUN, la CPU está en modo ejecutar
el programa, a menos que ocurra una falla y no se pueda ejecutar. Cuando el
selector de modo esté en la posición STOP, la CPU está completamente inactiva y
no será posible la ejecución del programa de usuario. Cuando el selector de modo
esté en la posición TERM, la CPU entenderá que usted se dispone a conectar un
dispositivo de programación, e iniciara el protocolo de comunicación respectivo para
que se pueda llevar a cabo la carga de un programa, que posteriormente se
ejecutara en el modo RUN.
Lección 12.3 – Potenciómetro de ajuste.
En la imagen anterior se observa también un potenciómetro para un ajuste
analógico, el cual sirve para aumentar o disminuir los valores almacenados en la
memoria especial. Esto le permite a una variable en el programa de usuario, cambiar
a medida que el ajuste analógico se cambie.
Las CPU 221 y los modelos de CPU 222 tiene un solo potenciómetro analógico. Las
CPU 224, CPU 224XP, CPU 224 XPsi, y la CPU 226 tiene dos potenciómetros de
ajuste analógico.
Lección 12.4 – Indicadores de estados activos.
En la parte frontal de la CPU del PLC podemos divisar también los indicadores de
estado de la CPU y, los indicadores de entradas y salidas activas.
Cuando la CPU está en modo RUN, el indicador RUN de color verde está
encendida. Cuando la CPU está en modo STOP, el indicador de STOP de color
amarillo se enciende. Si el sistema llega a encontrar algún fallo del sistema, el
indicador (SF/DIAG) se enciende en rojo, pero también en determinadas
condiciones de diagnostico el indicador puede mostrarse de color amarillo.
Los indicadores de estado de E / S representan el estado de encendido o apagado
de las entradas y salidas correspondientes; Cuando una entrada o una salida esta
activa, el indicador se enciende de color verde.
Lección 12.5 – Memoria externa.
Algunos modelos de CPU S7-200, tienen un puerto opcional que sirve para
instalación de cartuchos de memoria, lo que proporciona almacenamiento portátil
de EEPROM para el programa de usuario. El cartucho se puede utilizar para copiar
un programa desde un PLC S7-200 a otro. Existen dos tamaños de cartuchos de
memoria, 64k y 256k bytes.
Lección 13 – Entorno de trabajo
A continuación se describirán las dos arquitecturas más conocidas de control
industrial donde participan los PLC, aunque cabe aclarar que no son las únicas
puesto que la gran mayoría de los entornos automatizados son mezclas adaptadas
a las necesidades de la misma industria.
Lección 13.1 – Sistemas de Control desde PLC centralizado
Son entornos de trabajo donde por lo general la informacion de todos los procesos
se direccionan hacia una sola unidad de control, en este caso el PLC; la principal
ventaja de este tipo de arquitectura es que facilita el flujo de informacion y se hace
posible que los objetivos de optimizacion del proceso puedan ser alcanzados. La
desventaja esta directamente relacionada con la fiablidad del PLC, puesto que una
averia en el equipo, o una parada por manetnimiento se ve reflejado en todo el
proceso en general.
Una variante del control centralizado, es el control centralizado multicapa, y quizás
por la estructura de su jerarquía, aparece el concepto de SCADA que viene de las
siglas “Supervisory Control And Data Adquisition” que en español se interpretaría
como Adquisicion de datos y Control de Supervisión. Casi siempre el SCADA
incorpora una HMI especialmente diseñada para funcionar en base a órdenes e
históricos del proceso de producción, pero proporcionando la comunicación
necesaria para ejecutar acciones sobre los PLC.
Lección 13.2 – Sistemas de Control Distribuido (DCS)
Un Sistema de Control Distribuido (en inglés: Distributed Control System) más
conocido por sus siglas DCS, es un sistema de control aplicado, por lo general, a
un procesos de fabricación complejos y extensos, donde se involucran multiples
procesos, por lo cual sino que las labores de monitoreo, supervision y control se
asigana a varios PLC que se distribuyen a lo largo de todo el sistema con cada
componente o sub-sistemas. Todo el sistema de los controladores está conectado
mediante redes de comunicación y de monitorización.
Lección 14 - Modos de operación
Antes de iniciar nuestro aprendizaje previo por los diferentes modos de operación
que nos van a ayudar a que más adelante a aprovechar todo el potencial del PLC,
vamos revisar sus formas de instalación.
El PLC S7-200, al igual que la mayoría de equipos de mando de un proceso
industrial, permite la instalación en un riel DIN estándar puesto que físicamente trae
un gancho de retención, que se puede asegurar cuando la unidad ya esta montara
sobre el riel.
De otra forma el PLC S7-200 también puede ser montado en paneles con agujeros
de instalación que se encuentren detrás y coincidan con los que trae el PLC en su
cubierta.
Como precaución adicional, tenga en cuenta que se debe alejar los equipos S7-200
de fuentes de calor, alta tensión e interferencias. Como regla general para la
disposición de los equipos que conforman el sistema, aleje siempre los aparatos de
alta tensión que generan interferencias de los equipos de baja tensión y de tipo
lógico. Al configurar la disposición del S7-200 en el armario eléctrico, tenga en
cuenta los aparatos que generan calor y disponga los equipos electrónicos en las
zonas más frías del armario eléctrico. El funcionamiento de equipos electrónicos en
entornos de alta temperatura acorta su vida útil.
Considere también la ruta del cableado de los equipos montados en el armario
eléctrico. Evite colocar los conductores de señalización y los cables de
comunicación en una misma canalización junto con los cables de corriente AC y los
cables DC de alta tensión y de conmutación rápida.
Prever espacio suficiente para la ventilación y el cableado.
Para los equipos S7-200 se ha previsto la ventilación por convección natural. Por
tanto, se deberá dejar un margen mínimo de 25 mm por encima y por debajo de los
equipos. Asimismo, prevea 75 mm para la profundidad de montaje.
Lección 14.1 – Simulador de entradas digitales
Sabemos ya, que sobre la regleta de terminales de entradas en el PLC podemos
instalar diferentes dispositivos de entrada de tipo análogo o discreto, tales como
interruptores, pulsadores, sensores entre otros.
Un método conveniente para probar un programa, es conectar interruptores de
codillo o interruptores de dos estados a las entradas.
Para este fin, el fabricante desarrollo los Simuladores de entrada, con interruptores
precableados y fijados sobre una placa electrónica, están disponibles para el uso
con PLC S7-200. Además este juego de interruptores traen por defecto los espacios
para que puedan ser alimentados por la fuente de alimentación de 24 VDC (L +).
Con esto tendríamos un grupo de interruptores listos para la simulación de un
evento sin necesidad de llevar el PLC a un proceso real para hacer pruebas o
ensayos de programación.
Por ejemplo, el interruptor en el extremo izquierdo está conectado entre la primera
entrada (0,0) y L+. Cuando el interruptor se pone en la posición “cerrado”, en la
entrada se aplicaran 24 VDC. De lo contrario, si el interruptor de esta en la posición
abierto, tendremos 0 VCC aplica en esta entrada.
Esto recuerda los conceptos de “estado alto”, “estado bajo”, “On”, “Off”, “1” y “0” que
aprendimos en elecciones anteriores.
Lección 14.2 – Simulación de salidas discretas
De la misma forma que simulamos una entrada digital, con el PLC podemos simular
las salidas discretas, de tal forma que nos permita observar si nuestro programa
esta “activando” la salida requerida, que al interior de un proceso industrial efectuara
el accionamiento de un elemento final de control.
Algunos PLC ya disponen es sus salidas contactos tipo relé, de tal forma que para
probar un programa, sería necesario conectar luces de tipo piloto que nos permita
identificar de una mejor manera cual es la salida activa, o si lo prefiere solo con los
indicadores LED de estado señal que trae sobre su parte frontal el PLC.
Lección 14.3 – El súper capacitor.
Los PLC S7-200 en su estructura interna tienen un condensador de alto rendimiento,
llamada así debido a su capacidad para mantener la carga durante un largo período
de tiempo, protegiendo los datos almacenados en la memoria RAM en el caso de
una pérdida de potencia eléctrica.
Por lo tanto se convierte la memoria RAM en una copia de seguridad durante 50
horas para las CPU 221 y CPU 222, y de 100 horas en la CPU 224, CPU 224 XP,
CPU XPsi 224 y CPU 226.
Lección 14.4 – Operación con módulos de expansión.
Los S7-200 pueden ampliar sus capacidades de trabajo mediante la adición de
módulos de expansión.
Por defecto el PLC trae un puerto que es el de interfaz con el usuario para ingresar
la programación ya sea por pantalla de programación o desde un computador, pero
este puerto también puede ser programado (en protocolo ASCII) para comunicarse
otros dispositivos tales como con impresoras que nos generen informes, lectores de
código de barras de manera que nos funcione como una entrada de datos, entre
otras
aplicaciones,
a
través
de
protocolo
RS
485
o
RS 232, o con cable PPI.
Adicional a lo anterior cada PLC S7-200 tiene un puerto de interconexión destinado
a la instalación de módulos de expansión, a través de un bus de cinta; entre los más
comunes tenemos:
•
•
•
•
•
•
•
Módulos de ampliación I/O discretas escalables según la aplicación.
Módulos de ampliación digitales de 4/4 hasta 16/16 entradas/salidas.
Módulos de ampliación analógicos de 4/0, 4/1 a 0/2 entradas/salidas.
Módulos para medida exacta de temperatura con 0,1 °C de resolución.
Módulo RTD para medir usando termo-resistencias.
Módulo TC para medir usando termopares convencionales.
Todas las CPUs a partir de la 222 son aptas para comunicación por PROFIBUS
vía módulo esclavo PROFIBUS-DP vía EM 277.
• Todas las CPUs a partir de la 222 pueden operar como maestro de AS-i vía CP
243-2.
• Modulo de Tele-diagnóstico vía módem.
Cuando se conectan los módulos de expansión con el bus de cinta, tanto el conector
como el bus quedara protegido por una cubierta en la unidad; además como el
apilamiento se hace compacto garantizara la protección del bus ante cualquier tipo
de manipulación que lo pueda romper.
Recordemos que la CPU trae un gancho que la fija al riel DIM; de la misma manera
los módulos de expansión vienen con el gancho que permitirá fijar todo el
equipamiento como si fuera una sola unidad compacta.
En las imágenes que siguen, ilustraremos los modos de conexión e instalación de
los módulos de expansión.
La mayoría de los módulos de ampliación del S7-200 están diseñados para
proporcionar entradas y salidas adicionales; Sin embargo, varios módulos de
expansión están disponibles para apoyar, en algunos modelos más que en otros,
las opciones de comunicación, posicionamiento, y peso, dependiendo de cada CPU
y su entorno de trabajo. Esto es:
• La CPU 221 viene con 6 entradas y 4 salidas discretas y no acepta tarjetas de
ampliación.
• La CPU 222 viene con 8 entradas y 6 salidas discretas y acepta hasta 2 módulos
de ampliación.
• La CPU 224, CPU 224XP y CPU 224XPsi, vienen con 14 entradas y 10 salidas
discretas y puede aceptar hasta 7 módulos de ampliación.
• La CPU 226 viene con 24 entradas y 16 salidas discretas, y acepta hasta 7
módulos de ampliación.
Lección 15 – Terminologías de operación
Antes de iniciar en forma con los conceptos de programación, debemos
familiarizarnos con las terminologías que utiliza Siemens para sus PLC S7-200 para
identificar elementos; En particular estas terminologías son muy similares en otros
fabricantes de PLC.
En el S7-200, las entradas y salidas están marcadas en cada bornera para conexión
de cables, junto a los indicadores de estado. Estas terminologías alfanuméricas,
identifican la dirección de E/S para el cual está conectado un dispositivo. Esta
dirección es utilizada por la CPU para determinar qué entrada está presente y que
salida en el proceso producción necesita ser activado o desactivado.
La letra “I” designa una entrada discreta y “Q” designa una salida discreta. El primer
número que acompaña la letra identifica el byte, el segundo número identifica el bit.
El espacio de registro de E/S digitales se reserva siempre en incrementos de ocho
bits (un byte). Si un módulo no proporciona un una dirección para cada bit, de cada
byte reservado, estos bits no utilizados, no pueden ser asignados a los módulos
siguientes en la cadena de E/S.
Cada E/S analógicas está asociado con una palabra de 16-bit en el PLC S7-200 y
se identifica por “AI” (para la entrada analógica) o “AQ” (para salida analógica)
seguido de una “W” (que representa una palabra de memoria) y el número inicial de
bytes. Las palabras para las E/S analógicas comienzan en bytes pares (por ejemplo,
0, 2, ó 4). Las E/S analógicas se asignan siempre en incrementos de dos puntos. Si
un módulo no ofrece E/S físicas para cada uno de estos borneros, estos borneros
de E/S se deshabilitan y no estarían disponibles para su asignación a los módulos
siguientes en la cadena de E/S. El siguiente ejemplo muestra el direccionamiento
para una CPU básica y otra más compleja:
• Para una CPU 224:
• Para una CPU 224XP:
Fin de la unidad 1.