UNIVERSIDAD VERACRUZANA

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA
ZONA POZA RICA -TUXPAN
TEORIA BASICA DE
LOS DISPOSITIVOS PLC´s
MONOGRAFIA
PARA OBTENER EL TITULO DE
INGENIERO MECANICO ELECTRICISTA
PRESENTA
IVAN CASTAN HERNANDEZ
DIRECTOR DEL TRABAJO RECEPCIONAL
ING. GABRIEL JUÁREZ MORALES
POZA RICA DE HIDALGO, VERACRUZ.
2002.
Gracias Dios Padre
Por las bendiciones recibidas
Por permitirme llegar al final
Del principio de mi vida profesional
Por dar fuerza a mi espíritu y alma
Por saciar mi ímpetu y añoranza
Por la vida y salud otorgada
Pero principalmente gracias
Por estos grandes padres y mi hermana
Por familiares y amigos que me acompañan
A mis padres doy gracias
Por ayudarme a dar este importante paso
Por el ejemplo de vida que me han dado
Por la paciencia y tolerancia que me han brindado
Por ayudarme a levantarme cuando estoy derrumbado
Por ser el pilar principal en mi crecimiento
Gracias les doy a mis padres y mi hermana
Por estar conmigo en las buenas y en las malas
Creer y confiar siempre en la realización de mis metas
Gracias a mis familiares y amigos
Por su apoyo y confianza
Por una sonrisa y una palmada
Por darme ánimo y descanso
Para retomar con fuerza el camino
Aún la noche mas obscura tiene un claro amanecer
Por encima de las nubes mas densas sigue brillando el sol
Todo río tiene dos orillas.
Ivan
Monografía
Teoría básica de los PLC.
INTRODUCCIÓN.
Los controladores lógicos programables (PLC, por sus siglas en inglés) , son
dispositivos electrónicos digitales que fueron investigados en la década de los 60´s para
reemplazar a los relevadores electromecánicos, interruptores y otros componentes
comúnmente utilizados para el control de sistemas combinacional .
En los sistemas de lógica combinacional, el estado de una salida queda determinado
por el estado de cierta combinación de entradas sin importar la historias de estas .
De este modo, los PLC´s resultaron muy atractivos ya que, a diferencia de los antiguos
circuitos permiten reprogramación, ocupan comparativamente muy poco espacio,
consumen poca potencia, poseen auto-diagnóstico y tienen un costo competitivo,
además, los PLC´s pueden realizar operaciones aritméticas, manipulaciones complejas
de datos, tienen mayores capacidades de almacenamiento y pueden comunicarse más
eficientemente con el programador y con otras computadoras en redes de área local.
Asimismo, ahora muchos PLC´s incorporan instrucciones y módulos para manejar
señales analógicas y para realizar estrategias de control, más sofisticados que el
simple ON – OF , tales como el control PID, inclusive con múltiples procesadores .
Así, dada la importancia que implica el conocimiento actual de estos dispositivos , en el
presente trabajo se pretende proporcionar al estudiante de la carrera de Ingeniería
Mecánica Eléctrica y específicamente al área de control, un material que le permita ser
de apoyo , consulta y estudio sobre la Teoría Básica
de los PLC´s
en sus
fundamentos y principios de diseño dentro de su operación básica.
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Monografía
Teoría básica de los PLC.
CAPITULO I
JUSTIFICACIÓN.
La tecnología constantemente presenta avances y cambios, procesos que pueden
observarse en la industria, en la empresa y en el ámbito profesional, por ello, el
estudiante de ingeniería siempre debe tratar de estar a la vanguardia para no quedarse
rezagado dentro del campo de estudio y trabajo.
Aquí, el Area de la Ingeniería
Mecánica Eléctrica no es la excepción, todos los
sistemas actuales de control que presentan dentro de la industria un campo fuerte de
trabajo se mueven y controlan a base de dispositivos modernos y tecnológicos que
están diseñados a base de circuitos electrónicos y sistemas programados.
De esto se origina la necesidad de realizar un trabajo profesional que permita
proporcionar al estudiante los fundamentos básicos para su conocimiento e integración
profesional en está área extensa de diseño y trabajo.
NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO.
NATURALEZA.
Un Controlador Lógico Programable (PLC) o Autómata Programable Industrial ( API ) es
una máquina electrónica diseñada para trabajar en entornos industriales
controlando procesos secuenciales en tiempo real. Su velocidad de ejecución debe
ser lo suficientemente elevada como para permitir el control de un proceso en tiempo
real; debe ser programable y su lenguaje de programación sencillo y asequible.
SENTIDO.
Antes, los sistemas industriales de control, se basaban en sistemas lógicos de
transistores, que cumplían con todas las características que todo usuario espera:
seguridad, confiabilidad, rapidez y economía, sin embargo presentaban el
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Teoría básica de los PLC.
inconveniente de ser difíciles de modificar en su configuración, tales cambios
son
físicos que van de cableado, conexiones, hasta arreglo de pistas.
Por estas razones, se necesitaba otra forma para controlar procesos industriales con
más eficiencia; es por eso que se acude a un nuevo enfoque que consiste en que la
toma de decisiones del sistema se lleva a cabo por instrucciones codificadas las cuales
están almacenadas en un circuito de memoria y ejecutadas por un Microprocesador,
esto quiere decir, si se quiere cambiar el sistema de control basta con cambiar las
instrucciones
codificadas y esto se logra haciendo cambios con un software o
programa por medio de un teclado.
ALCANCE DEL TRABAJO.
De manera general el presente trabajo en su calidad de Monografía consiste en
presentar un trabajo de recopilación y comprensión sobre el funcionamiento de los
PLC´s, de tal modo que esto permita al
estudiante poder tener los fundamentos
teóricos de diseño de todo un set de módulos con entradas análogas y digitales.
ENUNCIACIÓN DEL TEMA.
Los PLC´s pueden realizar operaciones aritméticas, manipulaciones complejas de
datos, tienen mayor capacidad de almacenamiento y pueden comunicarse más
eficientemente con el programador y con otros controladores y computadoras en red.
Además, en la actualidad muchos PLC´s incorporan instrucciones y módulos para
manejar señales análogas así mismo para realizar estrategias de control, más
sofisticados que el simple ON-OFF.
EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO.
El presente trabajo se estructura de la siguiente forma:
 Realizar la consulta de bibliografías que complementen el tema en referencia.
 Realizar el acceso a páginas de Internet que permitan contribuir a la recopilación
de información.
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 Revisar artículos y documentos que presenten información sobre el tema.
 De la información recopilada, realizar una selección acorde a las necesidades del
tema.
 La información seleccionada se estructura con un criterio propio de organización
y definición.
 La información seleccionada y organizada se transferirá al proceso de redacción
y diseño.
 Promover los ajustes, modificaciones y/o cambios necesarios en el proceso de
revisión.
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CAPITULO II
DESARROLLO DEL TEMA
MARCO CONTEXTUAL
El autómata programable (PLC) es el componente que en un cuadro eléctrico nos
permite elaborar y modificar las funciones que tradicionalmente se han realizado con
relés, contactores, temporizadores, etc. En el mercado existen muchos autómatas que
se adaptan a casi todas las necesidades, con entradas/salidas digitales y/o analógicas,
pequeños y grandes. La programación suele ser sencilla, dependiendo básicamente de
lo que se pretenda conseguir. A pesar de poder utilizar en cada uno de los distintos
lenguajes de programación la misma simbología (esquema de contactos) no es fácil,
aprendiendo uno de ellos, saber manejar el de cualquier otro fabricante ya que es aquí
donde radica el gran inconveniente, cada fabricante tiene su propio lenguaje de
programación. Lo importante es conocer las posibilidades de un PLC y saber como
llevarlas a la práctica con cualquiera de los autómatas que existen en el mercado.
Es fácil pensar en los controladores programables como en computadoras industriales
especialmente diseñados para la realización de tareas de control de sistemas
(procesos, autómatas, etc.).
Sin embargo, actualmente los controladores lógicos programables, son dispositivos de
estado sólido con la capacidad de almacenar instrucciones para implementar funciones
de control.
Razón a lo expuesto, resulta importante destacar las innovaciones actuales
tecnológicas con microprocesadores y memorias lo que ha venido a constituirlos en
dispositivos más versátiles, populares y confiables dentro de la industria del control.
El presente trabajo se realiza bajo un contexto temático desarrollado de modo técnico y
factible para cualquier estudiante, enfocando a los aspectos básicos de diseño y
operación de los PLC´s que son de mucha utilidad dentro de la Industria de la ingeniería
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MARCO TEORICO
SUB-TEMA 1.-CONCEPTOS GENERALES
1.1.- Historia de los Controladores Programables.
Los Autómatas Programables Industriales, API, conocidos por PLC's se introdujeron por
primera vez en 1960 aproximadamente, la razón principal de tal hecho fue la necesidad
de eliminar el gran costo que se producía al reemplazar un complejo sistema de control
basado en relés y contactos (lógica cableada).
La Compañía
Bedford Associates propuso el primer Controlador Digital Modular
(MODICON, MOdular DIgital CONtroler) a un gran fabricante de automóviles, así como
otras propusieron a la vez esquemas basados en ordenador, así el MODICON 084
resultó ser el primer PLC del mundo en producirse comercialmente.
El problema con los relés se presentó cuando por requerimientos de la producción
cambiaban y con ello también se tenía que realizar el sistema de control, de tal manera
que esto se tornó bastante frecuente y, sobre todo, con un costo muy elevado.
Por otra parte, a veces se debían realizar conexiones entre cientos e incluso miles de
relés, lo que implicaba un enorme esfuerzo de diseño y mantenimiento, razón a esto,
los nuevos controladores debían ser fácilmente programables de tal forma que el
tiempo de vida técnica útil debía de ser largo y los cambios a realizar en el programa
tenían que realizarse de forma sencilla; aquí nació entonces el concepto de LÓGICA
PROGRAMADA. La solución aportada fue el empleo de una técnica de programación
que resultó sencilla, reemplazándose así los relés mecánicos por los relés de estado
sólido.
Los microprocesadores convencionales cedieron la potencia necesaria para resolver de
forma rápida y completa la lógica de los pequeños PLC's de tal modo que por cada
modelo de microprocesador había un modelo de PLC basado en el mismo, así, las
grandes oportunidades de las comunicaciones, entre PLC's, comenzaron a presentarse
en el año de 1973 aproximadamente.
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El primer sistema fue el Modbus donde el PLC podía ahora dialogar con otros PLC's y
en conjunto podían estar aislados de las máquinas que controlaban; había nacido el
concepto de Control Distribuido, además, podían enviar y recibir señales de tensión
variable y de corriente, entrándose así en el mundo del tratamiento de las señales
analógicas (FUE LA DÉCADA DE ORO PARA LOS AUTÓMATAS PROGRAMABLES).
En la actualidad, la tecnología de los PLC´s ha avanzado en gran medida hasta
aproximarse cada vez más cerca al mundo autómata.
1.2.- Introducción a los Sistemas Numéricos.
Un sistema numérico es una representación de cantidad o valor correspondiente a un
elemento de información discreto, aquí se tienen variados tipos de sistemas numéricos,
sin embargo, todos ellos, permiten mostrar e interpretar procesos analógicos y lógicos.
Los sistemas numéricos que se tratan en este trabajo son: El sistema numérico
Decimal, Binario, Octal y Hexadecimal.
1.2.1-Sistema numérico Decimal.
El sistema de números decimales se dice que es de base o raíz 10 debido a que usa
diez dígitos y los coeficientes se multiplican por potencias de10, normalmente este
sistema es el más común y por ello el más empleado por todo usuario que maneja
datos de tipo numérico, este sistema numérico comprende los dígitos:
0,1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
con estos dígitos es posible representar cantidades numéricas compuestas, por
ejemplo: 128, 1040, 12340, etc., dando margen además que con los mismos pueden
realizarse operaciones aritméticas. Ahora, cuando se habla de datos numéricos de
acceso a un sistema de control manipulado por un sistema digital la información se
maneja en modo decimal de tal forma que estos números decimales de entrada se
almacenan internamente en la computadora mediante un código decimal.Es importante
destacar que los números decimales se convierten en binarios cuando las operaciones
aritméticas se hacen de manera interna con números representados en binario.
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1.2.2.- Sistema numérico Binario.
Una computadora digital manipula elementos discretos de información, elementos que
se representan en forma binaria. El procesamiento de datos se lleva a cabo entonces
mediante elementos lógicos binarios que utilizan estas señales de tal manera que las
cantidades se almacenan en elementos denominados celdas de almacenamiento
binario, así, el sistema binario tienen dos valores posibles: 0 y 1, donde cada
coeficiente aj se multiplica por 2j.
Por ejemplo, el equivalente decimal del número binario 11010.11 es 26.75, como se
muestra por la multiplicación de los coeficientes por potencias de 2:
1x24+1x23+0x22+1x21+0x20+1x2-1+1x2-2 =26.75
1.2.3.- Sistema Hexadecimal.
El sistema numérico Hexadecimal juega una parte importante en las computadoras
digitales ya que 24=16 es decir, cada dígito hexadecimal corresponde a cuatro dígitos
binarios, la tabla siguiente presenta los equivalentes del sistema numérico decimal,
binario y hexadecimal :
Decimal
(Base 10)
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
Binario
(Base 2)
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
Hexadecimal
(Base 16)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
Tabla 1.1.-Números con bases diferentes (equivalentes)
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como se observa en esta tabla, los números binarios son difíciles de trabajar ya que
requieren tres o cuatro veces más dígitos que su equivalente decimal, ejemplo:
El número binario 111111111111 es equivalente al decimal 4095.
Este sistema numérico permite que en las computadoras se reduzca él numero de
dígitos que deben considerarse, ya que emplea la relación entre el sistema de números
binarios y el hexadecimal, se piensa así en términos de números Hexadecimales y se
lleva a cabo la conversión
requerida por inspección, esto cuando es necesaria la
comunicación directa con la máquina, ejemplo:
El número binario 111111111111 contiene doce dígitos y en Hexadecimal se expresa
como FFF (tres dígitos).
Así, durante la comunicación entre personas con respecto a los números binarios en la
computadora, la representación en el sistema numérico hexadecimal es más deseable
debido a que puede expresarse en forma compacta con un tercio o un cuarto del
número de dígitos requeridos por el número binario equivalente.
Ahora, cuando el humano se comunica con las máquinas (a través de interruptores en
la consola con luces indicadoras, o mediante programas escritos en lenguaje de
máquina), la conversión de hexadecimal a binario y viceversa se hace por inspección
por el usuario.
1.3.- Códigos Binarios.
Los sistemas electrónicos digitales utilizan señales que tienen dos valores distintos y
elementos de circuito que tienen dos estados estables, se determina aquí que existe
una analogía directa entre las señales binarias, los elementos de circuito binario y un
dígito binario, se tiene por ejemplo que un número binario de n dígitos, puede
representarse por n elementos de números binarios, cada uno con una señal de salida
equivalente a 0 o a 1.
Asimismo, los sistemas digitales representan y manipulan no sólo números binarios,
sino también otros muchos elementos discretos de información.
Cualquier elemento discreto de información distinto entre un grupo de cantidades puede
representarse por un código binario, ejemplo:
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El rojo es un color definido del espectro.
La letra A es una letra distinta del alfabeto.
Un BIT, por definición, es un dígito binario y cuando se usa junto con un código binario,
es mejor considerarlo como si se denotara una cantidad binaria igual a 0 o 1.
Para representar un grupo de 2n elementos distintos en un código binario, se requiere
un mínimo de n bits, esto se debe a que es posible ordenar n bits en 2 n formas
distintas.
Por ejemplo, un grupo de cuatro cantidades diferentes puede representarse mediante
un código de 2 bits, con cada cantidad asignada a una de las siguientes combinaciones
de BIT: 00, 01,10, 11, así un grupo de ocho elementos requiere de un código de tres
bits, con cada elemento asignado a uno y sólo uno de los siguientes:
000,001,010,011,100, 101,110,111.
En los ejemplos se muestra que las distintas combinaciones de bits para un código de n
bits pueden encontrarse al contar en binario desde 0 a (2n-1).
Algunas combinaciones de BIT quedan sin asignarse cuando el número de elementos
del grupo que va a modificarse no es un múltiplo de la potencia de 2. Los diez dígitos
decimales 0,1,2,....9 son un ejemplo de tal clase de grupo. Un código binario que se
distingue entre diez elementos debe de contener cuando menos cuatro bits; tres bits
pueden distinguir un máximo de ocho elementos.
Aunque el número mínimo de bits necesario para codificar 2 n cantidades distintas es n,
no hay numero máximo de bits que puedan usarse para un código binario. Por ejemplo,
los diez dígitos decimales pueden codificarse con diez bits y, cada dígito decimal se
asigna a una combinación de bits de nueve números 0 y un 1.
En este código binario particular, al digito 6 se le asigna la combinación de bits
0001000000.
1.4.- Operadores lógicos AND, OR, NOT.
Los circuitos digitales electrónicos también se denominan circuitos lógicos ya que, con
la entrada apropiada, establecen trayectorias lógicas de manipulación de señales.
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Cualquier información que se desée para control puede operarse por el paso de
señales binarias a través de diversas combinaciones de circuitos lógicos, cada señal
representa una variable y lleva un BIT de información.
Los circuitos de la figura 1.2 presentan esta lógica binaria:
Los circuitos Lógicos que realizan las operaciones Lógicas de AND, OR, y NOT se
muestra con sus símbolos en la figura 1.3.
Estos circuitos, llamados compuertas, son bloques de hardware que producen una
señal de salida lógica 1 o lógica 0 esto conforme a la señal de entrada lógica.
Las señales de entrada x y y en las dos compuertas de entrada en la figura anterior
pueden existir en uno de cuatro estados posibles: 00, 10, 11, 01.
Estas señales de entrada se muestran en la figura 1.4.
Los diagramas denominados de tiempo en la figura anterior ilustran la respuesta de
cada circuito a cada una de las cuatro combinaciones binarias de entrada posibles.
La razón del nombre “inversor” par la compuerta NOT es aparente por la comparación
de la señal x (entrada del inversor) y la de x´(salida del inversor).
Las compuertas AND y OR pueden tener más de dos entradas como se tiene en la
figura 3, aquí la compuerta de tres entradas AND responde con una salida lógica 1 si
todas las tres señales de entrada son de lógica 1 y la salida produce una señal de
lógica 0 si cualquier entrada es lógica 0.
En el caso de las cuatro entradas en la compuerta OR responden con una lógica 1
cuando cualquier entrada es lógica 1 y su salida llega a ser lógica 0 si todas las señales
de entrada son lógica 0.
El sistema matemático de la lógica binaria es mejor conocido como álgebra Booleana.
Esta álgebra se usa en forma conveniente para describir la operación de redes
complejas de circuitos digitales.
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L
B
A
A
L
B
Fuente de
voltaje
Fuente de
voltaje
(a) Interruptores en serie-lógica AND
b) Interruptores en paralelo-lógica OR
Figura 1.2.- Circuitos a base de interruptores que demuestran la lógica binaria.
A
Z=x*y
x
Y
X´
X
Z=x+y
y
(a) compuerta AND de
dos entradas.
( c ) compuerta NOT
o inversora.
( b ) compuerta OR
de dos entradas
A
B
C
D
A
B
C
G=A+B+C+D
( e ) Compuerta OR de
cuatro entradas
( d ) Compuerta AND
de tres entradas.
S=ABC
Figura 1.3.-Símbolos para los circuitos digitales lógicos.
x
y
0
1
1
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
AND : x  y
1
0
1
OR : x + y
0
0
1
1
0
0
1
1
NOT : x´
Figura 1.4.- Señales de entrada-salida para las compuertas (a), (b) y (c)
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1.5.- Principios del álgebra Booleana.
El álgebra booleana, como cualquier otro sistema matemático deductivo se define como
un conjunto de elementos, un conjunto de operadores y un número de axiomas no
probados o postulados.
Es importante considerar que un conjunto de elementos es cualquier colección de
objetos que tienen una prioridad común, ejemplo:
Si S es un conjunto y, x y y son ciertos objetos, entonces xS denota que x es un
miembro del conjunto S y, yS denota que y no es un elemento de S.
Así, un conjunto con un número de elementos se especifica por llaves: A =1,2,3,4
esto es, los elementos del conjunto A son los números 1,2,3 y 4.
Entonces, en el caso de un operador binario definido en un conjunto S de elementos es
una regla que asigna a cada par de elementos de S un elemento único de S, como
ejemplo, considérese:
La relación ab = c, Se dice que  es un operador binario y especifica una regla para
encontrar c mediante el par (a,b) y también si a,b,c  S.
Sin embargo, * no es un operador binario si a, b  S.Si la regla encuentra que c  S.
Así, los postulados de un sistema matemático forman los supuestos básicos mediante
los cuales es posibles deducir las reglas, teoremas y propiedades del sistema.
En 1854 George Boole introdujo un tratamiento sistemático de la lógica y desarrolló
para este propósito un sistema algebraico que ahora se conoce como álgebra booleana
sin embargo, para la definición formal del álgebra booleana, se emplean los postulados
formulados por E. V. Huntington en 1904 los cuales son:
1. (a) Cierre con respecto al operador (+)
(b) Cierre con respecto al operador ()
2. (a) Un elemento identidad con respecto a +, designado por 0: x + 0 = 0 + x = x.
(b) Un elemento identidad con respecto a  , designado por 1:x . 1 x = x.
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3. (a) Conmutativo con respecto a +: x + y = y + x.
(b) conmutativo con respecto a  : x  y = y  x.
4. (a)  es distributivo sobre +: x (y + z) = (x y)+ (xz).
(b) + es distributivo sobre  : x + (y  z) = (x + y)  (x + z).
5. Para cada elemento x  B, existe un elemento x B (denominado Complemento
de x) tal que: (a) x + x = 1 y (b) x  x =0.
6. Existen cuando menos dos elementos x, y  b tales que x y.
Al comparar el álgebra booleana con la aritmética y el álgebra ordinaria ( el campo de
los números reales), se observan las siguientes diferencias:
1. Los postulados de Huntington no incluyen la ley asociativa. No obstante, esta ley es
válida para el álgebra booleana y puede derivarse (para ambos operadores)
mediante los otros postulados.
2. La ley distributiva de + sobre , esto es, x + (yz)= (x + y)  (x + z), es válida para el
álgebra booleana, pero no para el álgebra ordinaria.
3. El álgebra booleana no tiene inversas aditiva o multiplicativa; por lo tanto, no hay
operaciones de sustracción o división.
4. El postulado 5 define un operador llamado complemento que no se encuentra en
el álgebra ordinaria.
5. El álgebra ordinaria trata con números reales, los cuales constituyen un conjunto
infinito de elementos. El álgebra booleana trata con el conjunto todavía no definido
de elementos B, pero en el álgebra booleana de dos valores que se define más
adelante ( y de interés en el uso subsecuente de esta álgebra), B se define como un
conjunto con sólo dos elementos, 0 y 1.
Estas reglas son exactamente las mismas que las operaciones AND, OR
y NOT,
respectivamente. Los teoremas básicos del álgebra de Booleana se listan en la tabla
siguiente:
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Postulado 2
(a) x + 0 =x
(b) x  1 = x
Postulado 5
(a) x + x´= 1
(b) x  x´=0
Teorema 1
(a) x + x = x
(b) x  x = x
Teorema 2
(a) x + 1 = 1
(b) x  0 =0
Teorema 3
involución
(x´)´= x
Postulado3, conmutativo (a) x + y = y + x
Teorema 4,
(b) x y = y x
asociativo (a) x + (y + z) = (x + y) (b) x (y z) = (x y) z
+z
Postulado4, distributivo (a) x (y + z) = x y + x z
(b) x + y z = (x + y) (x
+ z)
Teorema
5, de De (a) (x + y´) = x´ y´
(b) (x y)´= x´ + y´
absorción (a) x + x y = x
(b) x (x +y)= x
Morgan
Teorema 6,
Tabla 1.5.-Postulados y teoremas del álgebra booleana.
Los teoremas y postulados que se listan son las relaciones más básicas en el álgebra
booleana, asimismo, los teoremas, al igual que los postulados, se listan en pares;
donde cada relación es el dual de su pareja.
1.6.- Análisis de Compuertas lógicas.
Considerando que las funciones booleanas se expresan en términos de operaciones
AND, OR y NOT, es fácil implantar una función booleana con estos tipos de
compuertas. Aquí, los factores que deben considerarse en la construcción de otros
tipos de compuertas lógicas son:
 La factibilidad y economía de producir compuertas con componentes físicos.
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 La posibilidad de extender la compuerta a más de dos entradas.
 Las propiedades básicas del operador binario como conmutabilidad y asociatividad y
 La habilidad para implantar compuertas booleanas solas o con otras compuertas.
En la tabla siguiente se presentan 16 funciones posibles en el diseño de Circuitos
lógicos empleando compuertas digitales:
Funciones
Booleanas
F0 = 0
Símbolo del
Operador
F1 =
F2 =
F3 =
F4 =
F5 =
F6 =
xy
x/y
xy
x y
x
xy
y
x y + xy
F7 = x + y
F8 =(x + y)
F9 = x y + xy
F10 =y
F11 =x + y
F12 =x
F13 =x + y
F14 =(x y )
F15 =1
y/x
Xy
X+y
x y
xy
y
xy
x
xy
x y
Nombre
Comentarios
Nulo
Constante Binaria
0
xyy
x pero no y
X
y pero no x
Y
X o y pero no
ambas
Xoy
NOT-OR
x igual a y
No y
Si y, entonces x
No x
Si x, entonces y
NOT-AND
Constante binaria
1
AND
Inhibición
Transferencia
Inhibición
Transferencia
Excluyente-OR
OR
NOR
equivalencia
Complemento
Implicación
Complemento
Implicación
NAND
identidad
La equivalencia también se conoce como igualdad, coincidencia y excluyente NOR.
Tabla 1.6.- Expresiones booleanas para las 16 funciones de dos variables.
Los símbolos gráficos y las tablas de verdad de las ocho compuertas se muestran en la
figura 1.7:
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Nombre
Símbolo gráfico
X
y
AND
OR
A
B
inversor
x
Función gráfica
F
F
F
F=xy
X
0
0
1
1
Y
0
1
0
1
F
0
0
0
1
F=x+y
X
0
0
1
1
Y
0
1
0
1
F
0
1
1
1
F = X´
F=x
Buffer
NAND
NOR
Excluyente – OR
(XOR)
Excluyente – NOR
O Equivalente
x
F
X
y
F
X
y
F
X
y
F = (x y )´
F = (x + y)´
F = x y´ + x´ y = x ⊕ y
F
X
y
Tabla de verdad
F = x y + x´+ y´ = x ‫ סּ‬y
X
0
1
F
1
0
X
0
1
F
0
1
X
0
0
1
1
Y
0
1
0
1
F
1
1
1
0
X
0
0
1
1
Y
0
1
0
1
F
1
0
0
0
X
0
0
1
1
Y
0
1
0
1
F
0
1
1
0
X
0
0
1
1
Y
0
1
0
1
F
1
0
0
1
Tabla 1.7.- Compuertas lógicas digitales.
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Monografía
Teoría básica de los PLC.
Como se observa, cada compuerta tiene una o dos variables binarias de entrada
designadas por x y y y una variable binaria de salida designada por F. El circuito
inversor invierte el sentido lógico de una variable binaria, es decir produce la función
NOR o complemento. La función NAND es el complemento de la función AND como se
indica por un símbolo gráfico, que consta de un símbolo gráfico AND seguido de un
círculo pequeño. La función NOR es el complemento de la función OR y se usa un
símbolo gráfico OR seguido de un círculo pequeño. Es importante destacar que las
compuertas NAND y NOR se utilizan en forma extensa como compuertas lógicas
estándar y de hecho se emplean más que las compuertas AND y OR, esto se debe a
dos puntos importantes :
 Las compuertas NAND y NOR se construyen fácilmente como circuitos de
transistores
 Las funciones booleanas pueden implementarse con sencillez con dichas
compuertas.
La compuerta excluyente-OR tiene un símbolo gráfico similar al de la compuerta OR
excepto por la línea adicional curva en el lado de entrada, ahora , las compuertas que
se muestran en la figura 4, excepto por el inversor y el buffer, pueden extenderse para
tener más de dos entradas. Las operaciones AND y OR, definidas en el álgebra
booleana, poseen esas dos propiedades. Para la función OR se tiene:
X+y=y+x
conmutativa
(x + y) + z = x + (y + z)= x + y + z
asociativa
Esto indica que las entradas de compuerta pueden intercambiarse y que la función OR
puede extenderse a tres o más variables. Las funciones NAND y NOR son
conmutativas y sus compuertas pueden extenderse para tener más de dos entradas
siempre que se modifique ligeramente la definición de la operación.
La dificultad es que los operadores NAND y NOR no son asociativos, esto es, (x↓ y)↓z ≠
x↓(y↓ z), como se muestra a continuación:
(x↓ y)↓z = [ (x + y)´]´ = (x + y)z´ = xz´+ yz´
x↓(y↓z) = [ x+ (y + z)´]´= x´(y + z)= x´y + x´z
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18
Monografía
Teoría básica de los PLC.
Esto puede apreciarse además en la figura 1.8.
Para superar esta dificultad, se define la compuerta múltiple NOR (o NAND) como una
compuerta complementaria OR ( o AND). Así por definición, se tiene:
x↓ y↓ z = (x + y + z)´
x↑ y↑ z = (x y z)´
Los símbolos gráficos para las compuertas de tres entradas se muestran en la figura
1.9.
Cuando se indica por escrito operaciones NOR y NAND en cascada, deben utilizarse
los paréntesis correctos para indicar la secuencia apropiada de las compuertas.
Ejemplo, considerando el circuito de la figura anterior (c).
La función booleana para este circuito debe escribirse como:
F = [ (A B C)´ (DE)´ ]´= ABC + DE
Donde se tiene también que una expresión en suma de productos puede implantarse
con compuertas NAND. Así, las compuertas excluyente OR y de equivalencia son
conmutativas y asociativas y pueden extenderse a más de dos entradas.
Además, la definición de esas funciones debe modificarse cuando se extienden a más
de dos variables. La excluyente-OR es una función impar, esto es, es igual a 1 si las
variables de entrada tienen un número impar de 1. La función de equivalencia es una
función par, es decir, es igual a 1 si las variables de entrada tienen un número par de 0.
La construcción de una función excluyente-OR de tres entradas se muestra en la figura
1.10.
Así, en forma normal se implementa con compuertas de dos entradas en cascada,
como se muestra en (a). De manera gráfica, puede representarse con una sola
compuerta de tres entradas como se muestra en (b). La tabla de verdad en ( c ) indica
con claridad que la salida F es igual a 1 si sólo una entrada es igual a 1 o si todas las
tres entradas son iguales a 1, esto es, cuando el numero total de 1 en las variables de
entrada es impar.
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Monografía
Teoría básica de los PLC.
x
y
( x ↓ y) ↓ z = (x + y) z´
z
x
X ↓ (y↓ z) = x´(y + z)
y
z
Figura 1.8.- Demostración de la no asociabilidad del operador NOR: (x ↓ y) ↓ z ≠ x( y↓ z)
X
y
z
X
y
z
(x + y + z )´
(x y z)´
(b) Compuertas NAND de tres
entradas
( a ) Compuerta NOR de tres
entradas
A
B
C
F = [ ( ABC)´ · (DE)´]´ = ABC + DE
D
E
( c ) compuertas NAND en cascada
Figura 1.9.- Compuertas de entradas múltiples NOR y NAND puestas en cascada.
x
y
F=xyz
z
( a) Uso de compuertas con dos entradas
x
y
z
F=x y z
(b) Uso de compuertas con 3 entradas
Figura 1.10.- Compuerta excluyente OR de tres entradas.
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Monografía
Teoría básica de los PLC.
SUB-TEMA 2.-INTRODUCCION A LOS PLC’s.
2.1.- Descripción de los PLC´s.
Los controladores lógicos programables (PLC, por sus siglas en inglés), son dispositivos
electrónicos digitales que fueron investigados en 1969 para reemplazar a los circuitos
de
relevadores
(relés)
electromecánicos,
interruptores
y
otros
componentes
comúnmente utilizados para el control de los sistemas de lógica combinacional. Es
importante destacar que en los sistemas de lógica combinacional, el estado de una
salida queda determinado por el estado de una cierta combinación de entradas sin
importar la historia de éstas.
Así, de este modo un Controlador Lógico Programable (PLC) o Autómata Programable
Industrial (API) es una máquina electrónica diseñada para trabajar en entornos
industriales controlando procesos secuenciales en tiempo real.
La descripción general básica de cualquier PLC autómata lo constituyen :
 La Fuente de alimentación
 El CPU
 El Módulo de entrada
 El Módulo de salida
 La Terminal de programación
 La Programación.
Respecto a su disposición externa, los autómatas pueden contener varias de estas
secciones en un mismo módulo o cada una de ellas separadas por diferentes módulos,
y de este modo se pueden distinguir autómatas Compactos y Modulares.
2.1.1.- La Fuente de alimentación.
Es la encargada de convertir la tensión de la red, 220 volts C.A., a baja tensión de
C.C, normalmente 24 volts, siendo esta la tensión de trabajo en los circuitos
electrónicos que forma el autómata.
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21
Monografía
Teoría básica de los PLC.
2.1.2.-Unidad Central de Proceso (CPU).
La Unidad Central de Proceso se le conoce como el cerebro del sistema ya que se
encarga de recibir las ordenes del operario por medio de la consola de programación y
el modulo de entradas. Posteriormente las procesa para enviar respuestas al módulo de
salidas. En su memoria se encuentra residente el programa destinado a controlar el
proceso.
2.1.3.-Modulo de entradas.
A este módulo se unen eléctricamente los captadores (interruptores, finales de carrera,
pulsadores, etc.;).
La información recibida en él, es enviada a la CPU para ser procesada de acuerdo la
programación residente.
Captadores
*Interruptores
*Finales de carrera
*Pulsadores
Información
recibida
Información que se
procesa por la
programación residente.
Información
transferida
modulo de
entrada
C.P.U.
Información
procesada
Esquema 2.1.-Transferencia de información-entrada
2.1.4 .-Modulo de salidas.
El modulo de salidas del autómata es el encargado de activar y desactivar los
actuadores (bobinas de contactores, lámparas, motores pequeños, etc).
Información
Procesada por
el C.P.U.
•
modulo
de
salida
Información ON
Transferida
Bo
bi
na
s
captadores
OF
•
M
ot
or
es
Esquema 2.2.-Transferencia de información-salida
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•
22
Re
lés
•
Lá
m
Monografía
Teoría básica de los PLC.
2.1.5.-Terminal de programación.
El terminal o consola de programación es el que permite comunicar al operario con el
sistema., aquí se pueden tener teclados, consolas de control u otras terminales que
permiten realizar la comunicación entre el usuario y el sistema.
2.1.6.-La Programación.
Uno de los aspectos importantes en la descripción de los PLC’s es su programación.
El primer lenguaje de programación para PLC's, considerado de bajo nivel fué el
"Lenguaje de Escalera", el cual aún se utiliza todavía, así también el "lenguaje
Booleano" que se basa en los mismos principios del álgebra booleana, éste último
utiliza nemónicos como (AND, OR, NOT, NAND, etc.) que representan equivalencia con
el lenguaje de escalera.
Cuando se comprendió el gran potencial de los PLC's , como poderosas computadoras
que son y se dio la evolución de capacidades que ahora tienen, que no poseían los
antiguos circuitos, aparecieron los lenguajes de alto nivel como el "lenguaje de
escalera" pero, con la adición de funciones especiales complejas.
Posteriormente se desarrollaron los lenguajes especiales de computadora, también de
alto nivel, que son muy similares a los lenguajes de programación de computadoras
como el Fortran, Pascal y otros que actualmente permiten la programación.
La programación con un LLRE requiere el uso de soluciones de casos especiales
eliminando
la
posibilidad
de
una
programación
limpia,
directa
y
elegante,
adicionalmente, muy a menudo los programas resultantes son difíciles de modificar por
no tener una estructura modular.
Cada proceso en un sistema real, atraviesa una secuencia de estados y cada máquina
o proceso es una colección de dispositivos o componentes físicos, además la operación
de cualquiera de estos dispositivos, puede describirse como una secuencia de pasos
con respecto al tiempo. Inclusive los procesos continuos pasan por estados, por
ejemplo, fases de arranque, eventos manuales (o automáticos), operaciones normales y
estados de parada.
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Monografía
Teoría básica de los PLC.
2.2.-Partes de un Controlador Lógico programable.
Un PLC de modo básico está compuesto por tres partes, la sección entrada salida E/S,
el procesador y el dispositivo de programación terminal.
Esto se muestra en el esquema siguiente:
Sección
entrada salida
Dispositivo de
programación
terminal
Procesador
Esquema 2.3.- Representación gráfica de las partes de un PLC básico.
2.2.1 Sección entrada salida (E/S).
Esta sección del PLC se encarga del trabajo de intercomunicación entre los dispositivos
industriales y los circuitos electrónicos de baja potencia que se almacenan y asimismo
ejecutan el programa de control que es operado por el usuario.
La sección E/S contiene módulos de entrada y salida, aquí las condiciones de entrada
se almacenan en una parte de la memoria del procesador denominada archivo de
imágenes de entrada, esto es, que cada terminal del módulo de entrada tiene su lugar
dentro del archivo de imágenes de entrada y este lugar solo sirve para guardar el último
registro de estado de una terminal de entrada (1 lógico o HI, 0 Lógico o LO)
Las condiciones de salida se almacenan de manera similar en el archivo de imágenes
de salida, y aunque la función es idéntica al archivo de imágenes de entrada, existe
una diferencia en el flujo de la información, mientras que en la salida, el flujo es del
archivo de imágenes de salida al módulo de salida; en la entrada el flujo es del módulo
de entrada al archivo de imágenes de entrada.
Esto se muestra en los esquemas siguientes:
Imágenes
de entrada
Modulo de
entrada
Flujo de
Información
Archivo de
imágenes de
entrada
Esquema 2.4.- Representación del flujo de información en la entrada.
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Teoría básica de los PLC.
Archivo de
imágenes
de salida
Flujo de
Información
Modulo de salida
Esquema 2.5.- Representación del flujo de información en la salida.
Así entonces, cada terminal de entrada o salida, tiene su lugar en el archivo de
imágenes
correspondiente
que
se
ubican
en
localidades
e
identificados
respectivamente por direcciones, el sistema de direcciones para cada terminal de salida
y entrada varía según el fabricante del PLC.
2.2.2.- El procesador.
Es el que se encarga de la ejecución del programa y se denomina unidad de
procesamiento central o simplemente CPU.
Cuando el CPU ejecuta un programa de control, el archivo de imágenes de salida se
actualiza continuamente y de inmediato, esto se hace necesario ya que las condiciones
de salida afectan instrucciones posteriores del programa.
Así, el archivo de imágenes de salida tiene doble función, la primera es la recepción
inmediata de información del CPU, para después pasarla a los módulos E/S; por otra
parte también tiene que ser capaz de pasar información de salida de regreso al CPU.
El archivo de imágenes de entrada no es de naturaleza doble pues su única misión es
adquirir información de los terminales de entrada y pasar esta información al CPU.
Otra parte importante del procesador es el que se usa para el almacenamiento de
instrucciones del programa de control, denominado memoria del programa de usuario,
ya que el programa de control puede modificarse y operarse por el usuario.
Esta función de crear y/o modificar el programa de control, es el procedimiento para
programar el PLC donde, a medida que el usuario ingresa instrucciones,
automáticamente éstas se guardan en localidades secuenciales en la memoria del
programa de usuario, que es autocontrolado por el PLC; la cantidad de instrucciones
varía según cuan complicado sea el proceso a controlar.
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Monografía
Teoría básica de los PLC.
Cuando el proceso de programación se completa,
se pasa entonces al modo de
ejecución, lo que permite entonces que el CPU ejecute el programa de principio a fin
repetidamente como se muestra en el diagrama siguiente:
Instrucciones
del usuario
MEMORIA DEL PROGRAMA
DEL USUARIO
USUARIO
P
L
C
MODO DE
EJECUCIÓN
Esquema 2.6.- Representación del proceso en memoria de usuario
Ahora, cuando se dice que el CPU ejecuta un programa, lo hace en una serie repetitiva
de eventos de forma cíclica y por esta razón se le conoce como ciclo de barrido
completo; comenzando con la primera operación que es el barrido de entrada, donde,
durante este estado, el estado actual de cada terminal de entrada se almacena en el
archivo de imágenes de entrada actualizándolo, el tiempo en el que el PLC realiza está
operación depende de:
 La cantidad de módulos,
 Las terminales en la sección E/S,
 La velocidad del CPU y otras características técnicas.
Ejemplo: Un sistema de 16 terminales tendrá un tiempo de barrido de unos cuantos
cientos de microsegundos de tal modo que después del barrido de entrada, el
procesador ejecuta el programa de control, que consiste empezando desde la primera
instrucción, llevando a cabo su secuencia de ejecución para después pasar a la
siguiente instrucción, y así hasta la última (a este proceso se le llama barrido de
programa) y cuyo tiempo de lectura está en el orden de los milisegundos.
Cuando se ejecuta el programa de control, el procesador mantiene actualizado el
archivo de imágenes de salida, pero no las terminales de salida, entonces el proceso en
que el archivo de imágenes de salida se transfiere a las terminales de salida se
denomina así barrido de salida.
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Teoría básica de los PLC.
Esto se debe a que en algunas ocasiones durante la ejecución de un programa de
control se hace necesario actualizar de inmediato una terminal de salida.
Afortunadamente algunos PLC tienen el mecanismo para hacer esto, su conjunto de
instrucciones tiene una opción, que obedece a la instrucción de salida inmediata, la cual
a su vez temporalmente suspende la operación normal del programa de actualizar la
terminal de salida y así regresar al programa.
2.2.3.- Dispositivo de programación.
Una parte esencial de un PLC es el dispositivo de programación, o terminal de
programación, en este aspecto, algunos PLC están equipados con su propio dispositivo
de programación construido por el fabricante del PLC, pero sin embargo en muchas
instalaciones el dispositivo de programación es una computadora portátil o de escritorio
que viene equipada con una tarjeta de interfaz de comunicación con el procesador del
PLC unidos mediante un cable serial.
La computadora además tiene que tener instalado un software de operación en su
disco duro, que es proporcionado por el mismo fabricante del PLC.
Los dispositivos de programación terminal son aquellos equipos que permiten que uno
o más materias primas como recursos puedan transformarse o procesarse. Ejemplo:
motores, bombas, sistemas neumáticos, sistemas eléctricos, etc.
2.2.4.- Principios de operación.
En el proceso de operación, cada Controlador Lógico Programable se compone de dos
partes básicas:
 La Sección operativa (SO) .
 La Sección de comando (SC) .
2.2.4.1.- La Sección Operativa (SO).
Es la que opera la materia prima y el producto en general, se compone de:
 Los medios y herramientas necesarias para transformar la materia prima, por
ejemplo: bombas, utensilios, taladros, etc.
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Teoría básica de los PLC.
 Los accionadores destinados a mover y poner en funcionamiento estos medios,
ejemplo:

Los motores eléctricos para accionar una bomba.

Los gatos hidráulicos para cerrar una válvula.

Los gatos neumáticos para taladrar un cabezal de perforación.
2.2.4.2.- Sección de Comando (SC).
Es la que emite las ordenes hacia la sección operativa (SO) y recoge las señales de
retorno para sus acciones. Esta sección la sección de comando (SC) se basa en
técnicas de lógica programada. Como parte central de la sección de comando (SC) está
el tratamiento, que se compone por la unión de tres diálogos:
El dialogo con la máquina: Consiste en el comando de los accionadores, (motores,
gatos) a través de los pre-accionadores (contadores, distribuidores, variadores) y de la
adquisición de las señales de la retroalimentación provenientes de los sensores que
dependen de la evolución del proceso.
El dialogo hombre-máquina: Permite manejar, regular, calibrar la máquina, aquí el
personal introduce mensajes y comandos y recoge informaciones del autómata.
El dialogo con otras máquinas: Este permite que varias máquinas puedan operar en
una misma producción y su coordinación está asegurada por el diálogo entre las
secciones de comando.
2.5 .-Técnicas de Automatización
Básicamente existen dos tecnologías que se emplean en la fabricación de automatismo;
estas son: la lógica cableada y la lógica programada.
2.5.1.- La Lógica Cableada:
Se denomina conexión cableada lógica a todos los controladores cuya función se
determina mediante la conexión (cableado) de sus elementos individuales de conexión.
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28
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Teoría básica de los PLC.
Así, por ejemplo, se determina la función de control mediante la selección de los
elementos de conexión (abrir o cerrar) y por las características de su conexión,
(conexión en serie o conexión en paralelo).
La estructura mecánica así como el cableado en el armario de distribución depende de
la función del controlador. El montaje y cableado de un controlador programable puede
efectuarse recién después de que se conozca su programa es decir, sus
documentaciones de conexión.
Cada cambio posterior de las funciones del controlador requieren un cambio de la
estructura y del cableado, es importante destacar que estos cambios son muchas veces
costosos y exigen mucho tiempo.
2.5.2.-Lógica Programada:
Aquí, la estructura y el cableado son ampliamente independientes de la función
deseada del controlador. Al equipo de automatización se conectan todos los contactos
emisores requeridos para la función del controlador (interruptores, pulsadores, barras
de luz, etc.) y todos los aparatos activadores sujetos al controlador (contactores,
válvulas, etc.). En este caso el autómata se basa en la programación de sus
constituyentes de tal forma que el funcionamiento obtenido resulta de la programación
efectuada. En este modo la labor efectuada puede cambiar alternando el programa y
con ello la flexibilidad es mayor.
2.6 .- Ventajas de los PLC´s.
Los PLC's resultaron muy atractivos ya que, a diferencia de los antiguos circuitos se uso
permite obtener las siguientes ventajas con respecto a otros:
 Reprogramación
 Ocupan comparativamente muy poco espacio
 Consumen poca potencia
 Poseen auto-diagnóstico y
 Tienen un costo competitivo.
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Teoría básica de los PLC.
Así también, las innovaciones tecnológicas en microprocesadores y memorias los ha
hecho más versátiles y populares. Esta tecnología a permitido que los PLC´s presenten
ventajas sobre otras tecnologías electro-mecánicas como son:
 Pueden realizar operaciones aritméticas
 Manipulaciones complejas de datos
 Mayor capacidad de almacenamiento
 Comunicación más eficiente con el programador
 Comunicación más eficiente con otros controladores
 Comunicación con otras computadoras en redes de área local.
Entre otras características se tiene que muchos PLC's incorporan instrucciones y
módulos para manejar señales análogas como para realizar estrategias de control más
sofisticados que el simple ON-OFF, tales como el control PID, inclusive con múltiples
procesadores.
También por su presencia en el campo de trabajo y aplicación, destacan las ventajas
siguientes:
Fiabilidad: Aquí, la distribución de las tareas de control entre los diversos elementos o
subsistemas disminuye el riesgo de caída global del sistema completo.
Facilidad de ampliación: Por su propia concepción dividida en subsistemas permite
una fácil ampliación de la aplicación, al ser fundamentalmente modular.
Esto es, la incorporación de una nueva unidad puede hacerse sobre el mismo sistema,
añadiendo al mismo bastidor las tarjetas adicionales necesarias, así se permite su fácil
adecuación a las crecientes o variables necesidades del proceso.
Integración: Esta se concibe en una doble vertiente:
La integración vertical: Esta permite la incorporación en una sola estructura de los
diversos niveles jerárquicos de control, nivel básico o regulatorio, nivel de proceso, nivel
de planta y nivel de negocio corporativo.
La Integración horizontal: Esta permite la incorporación en una sola estructura de
control de los aspectos de control regulatorio, eléctricos, de mantenimiento y de
proceso (cálculos, balances, optimización).
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30
Monografía
Teoría básica de los PLC.
En resumen sobre las ventajas de los PLC´s actuales, es que estos
incorporan
facilidades de comunicación que permiten intercambiar datos con otros PLC's o con
ordenadores, proporcionando así una manera sencilla de desarrollar interfaces
hombre-máquina.
2.7.- Areas de aplicación de los PLC´s.
Un autómata programable suele emplearse en procesos industriales que tengan una o
varias de las siguientes necesidades:
 Espacio reducido.
 Procesos de producción periódicamente cambiantes.
 Procesos secuenciales.
 Maquinaria de procesos variables.
 Instalaciones de procesos complejos y amplios.
 Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso.
Aplicaciones generales:
 Maniobra de máquinas.
 Maniobra de instalaciones.
 Señalización y control.
Es importante destacar que la información aquí indicada es con referencia a los
autómatas programables industriales, dejando de lado los pequeños autómatas para
uso más personal (que se pueden emplear, incluso, para automatizar procesos en el
hogar, como la puerta de una cochera o las luces de la casa).
2.8.-Componentes del CPU.
La unidad central de proceso (CPU) se encarga de procesar el programa de usuario
que se le introduce, para ello se dispone de diversas zonas de memoria, registros e
instrucciones de programa. Adicionalmente, en determinados modelos más avanzados,
se puede disponer de funciones ya integradas en la CPU; como reguladores PID,
control de posición, etc.El esquema siguiente muestra un modelo de CPU básico:
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Teoría básica de los PLC.
TOMA DE
TIERRA
ALIMENTACIÓN
SALIDAS
PILA
COMUNICACIÓN
CON TERMINAL
EXTENSIÓN
CARTUCHO
EEPROM
SALIDA 24
v.c.c
PANEL DE LEDS
ENTRADAS
Figura 2.7.-CPU Básico
Tanto las entradas como las salidas están aisladas de la CPU según el tipo de
autómata que se utilice. Normalmente se suelen emplear opto-acopladores en las
entradas y relés / opto-acopladores en las salidas.
Dentro de la CPU se dispone de un área de memoria, la cual se emplea para diversas
funciones, estas memorias son:
 Memoria del programa de usuario: aquí se introduce el programa que el autómata 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, etc.).
 Memoria del sistema: aquí se encuentra el programa en código máquina que
monitoriza el sistema (programa del sistema o firmware). Este programa se ejecuta
directamente por el microprocesador / microcontrolador que posea el autómata.
 Memoria de almacenamiento: se trata de una memoria externa que se emplea para
almacenar el programa de usuario y en ciertos casos parte de la memoria de la tabla
de datos, suele ser uno de los siguientes tipos: EPROM, EEPROM, o FLASH.
Por ultimo se tiene que cada autómata divide su memoria de esta forma genérica,
haciendo subdivisiones específicas según el modelo y fabricante.
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Teoría básica de los PLC.
2.8.1.- El Procesador.
El CPU se determina así que es el corazón del autómata programable ya que este es el
encargado de ejecutar el programa de usuario mediante el programa del sistema (es
decir, el programa de usuario es interpretado por el programa del sistema), aquí, sus
funciones son:
 Vigilar que el tiempo de ejecución del programa de usuario no exceda un
determinado tiempo máximo (tiempo de ciclo máximo). A esta función se le
denomina Watchdog (perro guardián).
 Ejecutar el programa de usuario.
 Crear una imagen de las entradas, ya que el programa de usuario no debe acceder
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.
 Chequeo del sistema.
Para ello el autómata va a poseer un ciclo de trabajo, que ejecutará de forma continua,
el esquema siguiente muestra este aspecto:
ENTRADAS
IMAGEN DE
LAS
ENTRADAS
SALIDAS
EJECUCIÓN
DEL
PROGRAMA
DE USUARIO
IMAGEN DE
LAS
SALIDAS
WATCHDOG
Esquema 2.8.- Ciclo de trabajo del Autómata.
2.8.2.- La Memoria.
La memoria es un componente fundamental de las computadoras digitales y está
presente en gran parte de los sistemas digitales. Los chips LSI como hardware de
memoria pueden programarse para realizar funciones específicas, así un dispositivo
lógico programable (PLD) es un chip LSI que contiene una estructura de circuito
“regular”, pero que permite al diseñador adecuarlo para una aplicación específica.
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33
Monografía
Teoría básica de los PLC.
Cuando un PLD típico deja la fábrica de IC, aún no está listo para una función
específica, sino que debe ser programado por el usuario para que realice la función
requerida en una aplicación particular.
Los chips con la mayor funcionalidad por unidad de área han sido los chips de memoria,
que contienen arreglos rectangulares de celdas de memoria y uno de los PLD es el chip
“de memoria de sólo lectura”. Es importante destacar que las computadoras y otros
tipos de sistemas requieren el almacenamiento permanente o semi-permanente de un
gran número de datos binarios de tal forma que los sistemas basados en
microprocesadores necesitan de la memoria para almacenar los programas y datos
generados durante el procesamiento y así disponer de ellos cuando sea necesario.
2.8.3 .-Tipos de Memoria.
La tecnología fundamental que se utiliza para la memoria principal se basa en los
circuitos integrados semiconductores donde gran parte de la memoria principal en una
computadora de propósito general está formada de circuitos integrados de RAM, pero
una parte de la memoria está formada por la ROM.
Se utilizan dos tipos de memoria en las diferentes partes del computador :
 Memorias de acceso aleatorio (RAM) y
 Memorias de sólo lectura (ROM).
La RAM acepta información nueva y la almacena para usarla después, aquí el proceso
de almacenamiento de información nueva en la memoria se conoce como operación de
escritura de memoria.
El proceso de transmisión de la información almacenada en la memoria se conoce
como operación de lectura de este modo, la RAM puede llevar a cabo tanto
operaciones de escritura como de lectura.
La ROM es un dispositivo lógico programable (PLD, programmable logic device) donde
la información binaria que se almacena en este dispositivo debe especificarse de
alguna manera y luego insertarse en el hardware de la computadora.
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34
Monografía
Teoría básica de los PLC.
Este proceso se conoce como programación de un dispositivo (la palabra
“programación” se refiere al procedimiento de hardware que especifica los bits
insertados en la configuración de hardware del dispositivo), a diferencia de la RAM la
ROM sólo puede llevar a cabo la operación de lectura de memoria.
Esto significa que la información pertinente se almacena dentro de la memoria y puede
recuperarse o leerse en cualquier momento; sin embargo, no puede alterarse de
ninguna manera, está memoria es sólo un ejemplo de PLD.
2.8.4.- Características más significativas de las memorias.
En los sistemas utilizados para el almacenamiento de información digital se ha querido
obtener dispositivos con una velocidad alta de acceso a los distintos registros que los
componen, con una gran capacidad de almacenamiento de datos, con bajo consumo y
bajo precio.
Las características más importantes de las memorias son las siguientes:

Tiempo de escritura / lectura.

Cadencia de transferencia.

Densidad de información.

Volatilidad.

Capacidad.
El tiempo de escritura es el que el dispositivo emplea para registrar la información
desde el momento en que se presenta en su entrada. El de lectura es el que transcurre
desde la aplicación de la orden de lectura hasta que la información aparece en la
salida. La cadencia está relacionada con los tiempos anteriores, ya que se define como
la velocidad a la cual la memoria emite o recibe información de lectura o escritura.
La densidad de información está relacionada con la escala de integración y la cual se
define como el número de datos que puede almacenar por unidad de espacio físico.
La volatilidad de una memoria consiste en la pérdida de los datos almacenados ya sea
por las características de los elementos que la constituyen o por la falta de alimentación
eléctrica. En lo que respecta a la capacidad, es importante distinguir entre capacidad
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35
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Teoría básica de los PLC.
total de una memoria y el número total de posiciones disponibles. Se llama capacidad
total al número de bits que una memoria puede almacenar y por consiguiente, siempre
será mayor la capacidad total que el número de posiciones, salvo en el caso de que el
número de bits por posición sea uno. Esto se muestra en el esquema siguiente:
Capacidad Total de
Memoria.
Posiciones de Memoria.
4 Mega bits de
Memoria.
0011001
Esquema 2.9.-Capacidad y posiciones de memoria.
La operación de selección de una determinada posición de memoria se denomina
direccionamiento.
2.8.5.- Principios generales de la jerarquía de memoria.
Una jerarquía de memoria normalmente consta de muchos niveles, pero en cada
momento se gestiona entre dos niveles adyacentes.
El nivel superior (el más cercano al procesador) es más pequeño y más rápido que el
nivel inferior. La mínima unidad de información que puede estar presente o no presente
en la jerarquía de dos niveles se denomina bloque.
El tamaño de un bloque puede ser fijo o variable y si es fijo, el tamaño de memoria es
un múltiplo de ese tamaño de bloque.
El éxito o fracaso de un acceso a un nivel superior se designa como acierto o fallo: un
acierto (hit) es un acceso a memoria que se encuentra en nivel superior, mientras que
un fallo (miss) significa que no se encuentra en ese nivel.
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36
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Teoría básica de los PLC.
La frecuencia de aciertos es la fracción de accesos a memoria encontrados en el nivel
superior, y la frecuencia de fallos es la fracción de accesos a memoria no encontrados
en el nivel superior.
Como el rendimiento es la principal razón para tener una jerarquía de memoria, la
velocidad de aciertos y fallos es importante, aquí el tiempo de acierto es el tiempo para
acceder al nivel superior de la jerarquía de memoria, que incluye el tiempo para
determinar si el acceso es un acierto o un fallo.
Penalización de fallo es otro concepto importante ya que es el tiempo para sustituir un
bloque a nivel superior por el bloque correspondiente al nivel más bajo, más el tiempo
que se tarda en proporcionar este bloque al dispositivo que lo ha pedido. La
penalización de fallos se divide además en dos componentes: tiempo acceso (el tiempo
para acceder a la primera palabra de un bloque en un fallo) y el tiempo de transferencia
(el tiempo adicional para transferir las restantes palabras del bloque).
El tiempo de acceso está relacionado con la latencia del nivel más bajo de memoria,
mientras que el tiempo de transferencia está relacionado con el ancho de banda entre
las memorias del nivel superior y nivel inferior.
La dirección de memoria está dividida en piezas que acceden a cada parte de la
jerarquía.
La elección de la estructura del bloque es la parte de orden superior de la dirección,
que identifica un bloque en ese nivel de la jerarquía.
La dirección del desplazamiento del bloque es la parte de orden inferior de la dirección
e identifica un elemento en un bloque. El tamaño de la dirección del desplazamiento del
bloque es log2(tamaño del bloque); el tamaño de la dirección de la estructura del bloque
es entonces el tamaño de la dirección completa en este nivel menos el tamaño de la
dirección de desplazamiento de bloque, ecuaciones que se muestran a continuación:
T ddb = log 10 ( tb )
T deb = T dc – T ddb
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Teoría básica de los PLC.
Donde:
Tddb = tamaño de la dirección del desplazamiento del bloque.
Tb = tamaño del bloque
Tdeb = tamaño de la dirección de la estructura del bloque
Tdc = tamaño de la dirección completa.
2.8.6.- Memoria caché.
El análisis de una gran cantidad de programas típicos ha mostrado que las referencias
a memoria en cierto intervalo de tiempo, tienen a confinarse dentro de unas cuantas
áreas localizadas en la memoria, a este fenómeno se le conoce como la propiedad de
localidad de referencia.
Cuando se ejecuta un ciclo del programa, la CPU hace referencia repetidamente al
conjunto de instrucciones en memoria que constituyen el ciclo, de tal modo que las
subrutinas tienden a localizar la referencia en memoria para recuperar instrucciones.
Es importante destacar que si las partes activas del programa y datos se colocan en
una memoria pequeña y rápida se puede reducir el tiempo de acceso a memoria y, por
lo tanto, se reduce el tiempo de ejecución del programa a esta memoria se le denomina
memoria caché.
La caché es el componente más rápido de la jerarquía de memoria y se aproxima a la
velocidad de los componentes de la CPU, su actividad de organización es el de
conservar las instrucciones y datos que se accesan con mayor frecuencia y aunque es
sólo una pequeña parte del tamaño de la memoria principal, una gran parte de las
solicitudes de memoria se encontrarán aquí por la propiedad que presentan en la
localidad de referencia de los programas.
Su operación básica es la siguiente: Cuando la CPU necesita acceder memoria, se
revisa la caché de tal forma que si se encuentra la palabra aquí, entonces se lee de
esta memoria de un modo más rápido.
Ahora, si la palabra direccionada de la CPU no se encuentra en caché, se accesa la
memoria principal para leer la palabra, después, se transfiere un bloque de palabras
que contiene la que se acaba de acceder, de la memoria principal a la memoria caché.
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La escritura en esta memoria se relaciona con las solicitudes de escritura en memoria,
cuando la CPU encuentra una palabra mediante una operación de lectura, la memoria
principal no participa en la operación de transferencia, sin embargo, si la operación es
de escritura, hay dos maneras en las que puede proceder el sistema:
 El procedimiento más sencillo y de uso más común es actualizar la memoria
principal con cada operación de escritura de memoria, la memoria caché se
actualiza en paralelo si contiene la palabra en la dirección especificada, esto se
denomina el método de escritura simultánea, este método tiene la ventaja de que la
memoria principal siempre contiene los mismos datos que el caché. Esta
característica es importante en sistemas con transferencias de acceso directo a
memoria.
 El segundo procedimiento se denomina método de escritura al retorno. En este
método sólo se actualiza la operación de caché mediante una operación de
escritura. La localidad se marca después mediante una bandera para que, más
tarde, cuando la palabra se quite de caché se copie a la memoria principal. La razón
de este método de escritura al retorno es que durante el tiempo que una palabra
reside en la caché, puede actualizarse varias veces.
2.8.7.- Memoria virtual.
La memoria virtual es un concepto que se usa en algunos sistemas de computadoras
grandes y que permite al usuario construir programas como si estuviera disponible un
gran espacio de memoria, igual a la totalidad de la memoria auxiliar.
Esta memoria utiliza una parte de almacenamiento secundario de la computadora
(disco duro) como si fuera memoria, en esta cada dirección a la que hace referencia la
CPU recorre un mapeo de dirección de la supuesta dirección virtual a una dirección
física en la memoria principal.
La memoria virtual se emplea para dar a los programadores la ilusión de que tienen a
su disposición una memoria muy grande, aunque la computadora tenga en realidad una
memoria relativamente pequeña, sin embargo el sistema de memoria virtual
proporciona un mecanismo para trasladar direcciones generadas por programas a
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Teoría básica de los PLC.
localidades correctas en la memoria principal, esto se hace en forma dinámica, mientras
la CPU ejecuta programas.
2.8.8.- Memoria de Acceso Aleatorio Estática (SRAM) .
La RAM estática (SRAM) consiste en latches internos que almacenan la información
binaria, aquí la información almacenada es válida mientras se aplique energía a la RAM
de tal forma que una vez que se escribe una palabra en una localidad, ésta permanece
almacenada todo el tiempo que se siga aplicando energía al chip, a menos que se
escriba de nuevo en la misma localidad.
2.8.9.-Memoria de Acceso Aleatorio Dinámica (DRAM) .
La RAM dinámica (DRAM) almacena la información binaria en forma de carga eléctrica
en capacitores, aquí, la carga que se almacena tiende a perderse con el tiempo, por lo
que deben recargarse periódicamente refrescando la DRAM.
Este requerimiento significa que el sistema de memoria ocasionalmente no está
disponible porque está enviando una señal para refrescar cada chip.
2.8.10.-Memoria de Solo Lectura Programable y Memoria de Solo Lectura Borrable
y Programable ( PROM y EPROM).
Las PROMs son básicamente iguales que las ROM de máscara, una vez que han sido
programadas. La diferencia consiste en que las PROMs salen de fábrica sin estar
programadas y las programa el usuario a medida y de acuerdo a sus necesidades.
Normalmente una PROM se programa insertándola en un dispositivo especial
denominado programador de PROMs, que es controlado por software.
2.8.11.- Memorias de Solo Lectura Borrable y Programable (EPROM).
Una EPROM es una PROM borrable. A diferencia de una PROM ordinaria, una EPROM
puede ser reprogramada si antes se borra el programa existente en la matriz de
memoria.Los dos tipos fundamentales de EPROMs son las PROM borrables por rayos
ultravioletas (UV EPROM) y las PROMs borrables eléctricamente (EEPROM).
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Teoría básica de los PLC.
2.8.12 Memoria de Solo Lectura Borrable Electrónicamente (EEPROM).
Las PROMs borrables eléctricamente se pueden borrar y programar mediante impulsos
eléctricos, a estas se les conoce EEPROM.
La ventaja de las EEPROMs es que se pueden reprogramar dentro del propio circuito
final, sin tener que sacarlo del mismo, esto permite reconfigurar cualquier sistema fácil
y rápidamente.
2.8.13.- Memoria flash.
Las memorias flash son memorias de lectura/escitura de alta densidad (gran capacidad
de almacenamiento de bits) que son no volátiles.
En este tipo de memoria entra un concepto muy importante que es la Alta densidad que
significa que se puede empaquetar en una pequeña superficie del chip, gran cantidad
de celdas, lo que implica que cuanto mayor sea la densidad, más bits se pueden
almacenar en un chip de tamaño determinado.
La memoria flash es la memoria ideal porque posee una capacidad de almacenamiento
alta, es no volátil, tiene capacidad de lectura / escritura, rapidez de operación
comparativamente alta, y buena relación calidad / precio.
Las tecnologías tradicionales de memoria como la ROM, RAM, EPROM, EEPROM,
SRAM, DRAM, poseen una o más características pero ninguna de ellas tiene todas,
excepto las memorias flash.
Actualmente estas memorias se utilizan en la fabricación de BIOS para computadoras,
generalmente conocidos como FLASH-BIOS. La ventaja de esta tecnología es que
permite actualizar el bios con un software proporcionado por el fabricante, sin
necesidad de desmontar el chip del circuito final, ni usar aparatos especiales.
2.9.- Dispositivos de Programación.
Un parte esencial de un PLC es el dispositivo de programación, o terminal de
programación. Algunos PLC están equipados con su propio dispositivo de programación
construido por el fabricante del PLC, pero en muchas instalaciones el dispositivo de
programación es una computadora portátil o de escritorio que viene equipada con una
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Teoría básica de los PLC.
tarjeta de interfaz de comunicación con el procesador del PLC unidos mediante un
cable serial.
La computadora además tiene un software especial instalado en el disco duro, que es
proporcionado por el fabricante del PLC.
Así, los PLC también están equipados con instrucciones que proporcionan capacidades
como :
 Puede producir un retardo de tiempo en un sistema de control, porque está
equipado con temporizadores internos.
 Pueden contar eventos, como cierres de interruptores, porque está equipado con
contadores internos, de tipo incrementales y decrementales.
 Un PLC puede ejecutar operaciones aritméticas (+ , - , * , / ), con los datos
residentes en su memoria.
 Puede ejecutar comparaciones numéricas (mayor que, menor que, igual, diferente),
y lógicas(y, o)
Estas 4 operaciones quieren decir que un PLC puede trabajar con números y
almacenarlos, estos números cambian en un ciclo de barrido, es por eso que estos
datos numéricos son almacenados en la memoria de datos variables para mantener la
cuenta pues intervienen en el programa de control.
Cuando el procesador a terminado de ejecutar un escalón pasa al siguiente y repite de
nuevo toda la secuencia, hasta terminar el programa.
Los PLC también trabajan con entradas analógicas, cuyo uso es necesario cuando las
entradas digitales son inútiles para determinados procesos como por ejemplo cuando
se quiere que el PLC tome decisiones lógicas basándose en un valor medido de alguna
variable externa, que puede ser la temperatura.
Entonces para que el PLC trabaje con este tipo de entradas, el modulo E/S deberá
estar equipado con un convertidor analógico digital A/D, para que reciba datos en
formato analógica, y proporcione como respuesta en las salidas un formato digital.
A veces se requiere que las salidas también trabajen en modo analógico, para esto el
modulo E/S de salida, deberá tener instalado un convertidor A/D.
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Teoría básica de los PLC.
SUB-TEMA 3.-DISPOSITIVOS DE ENTRADA / SALIDA.
3.1.-Introducción.
Cuando se lleva a cabo la implementación de un sistema de control utilizando PLC´s
(Controladores Lógicos Programables), intervienen 4 elementos en la estructura.
Estos elementos son los siguientes:
 El Chasis.
 La fuente de alimentación del PLC y la fuente de alimentación de instrumentos.
 Los módulos de tarjetas electrónicas de entrada / salida.
 El procesador o CPU.
De esto se tiene entonces.
3.2.-El Chasis.
A este elemento se le conoce también como bastidor y depende de :
 El número de tarjetas electrónicas que se vayan a alojar.
 La carga máxima en amperes.
 Los tipos de módulos de entradas y salidas que son aceptadas.
En la figura siguiente se señalan la ubicación y sus respectivos nombres de las partes
principales que forman a un chasis.
CHASIS DE 12 RANURAS
Puente
B A CKP L A N E
Ranura
para el
CPU
1
2
3
4
5
O PISTA
6
7
DE DATOS
8
9
10
11
12
SW-1
Figura 3.1-Componentes del chasis.
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Teoría básica de los PLC.
En esta figura se tiene que la ranura en donde se inserta el CPU no se toma en cuenta
para contabilizar el chasis, se considera como la ranura cero. La placa que se
encuentra hasta el fondo del chasis se conoce como BACKPLANE, pista o bus de datos
y sirve para distribuir la alimentación a todas las tarjetas electrónicas, también funciona
como medio de comunicación entre las tarjetas electrónicas de entrada y salida con el
procesador o CPU.
Cada ranura según se muestra en la figura cuenta con 2 conectores uno superior y otro
inferior, el conector superior es utilizado por todos los módulos, debido a que ahí se
encuentran las conexiones de distribución de energía del BLACKPLANE, el conector
inferior no todas las tarjetas lo utilizan, esto depende del tipo de tarjetas que se este
utilizando.
El interruptor SW-1 sirve para la configuración del chasis.
3.3.- La Fuente de Alimentación del PLC.
Un sistema de control (PLC) utiliza dos fuentes de alimentación para que el sistema
opere :
 La fuente de alimentación del PLC o de control,
 La fuente de energía de alimentación de instrumentos o de fuerza.
La Fuente de Alimentación del PLC, conocida también como fuente de control, se
emplea para alimentar al procesador y las tarjetas electrónicas de entradas y salidas,
existen dos formas de lograrlo:
1).-La primera es con una fuente interna que va colocada en las ranuras del mismo
chasis.
2).-La otra alternativa es utilizar fuentes externas al chasis, esta conexión se realiza
mediante una conexión por medio de un cable especial de la fuente a un conector
especial del chasis. Se requieren 5 Vcd para una carga máxima de 24 amperes,
independientemente del tipo de fuente que se utilice ( interna o externa).
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Teoría básica de los PLC.
3.3.1. Fuente de alimentación del PLC interna.
Como esta fuente utiliza las mismas ranuras del chasis que son utilizadas
principalmente por las tarjetas electrónicas (módulos) de entradas o salidas, al colocar
la fuente en este lugar se perderá disponibilidad del sistema para insertar o utilizar uno
o varios módulos adicionales. La fotografía siguiente presenta un modelo de fuente de
alimentación interna:
Luz de operación
Conexión para enparalelar
Interruptor de encendido
Fusible
Puntos de
Alimentación de la
fuente a 110 Vac
1 RANURA
Fotografía 3.2.- Fuente de alimentación
3.3.2.- Fuente de Alimentación del PLC Externa.
Esta fuente brinda un mayor espacio para el sistema de control, pues no utilizan las
ranuras del chasis para alimentarlo, la fotografía siguiente muestra una de las fuentes
externas, haciendo referencia a sus partes principales que las forman:
Luz de operación
Conexión para enparalelar
Interruptor de encendido
Puntos de
Fusible
alimentación de la
fuente a 24 Vac
2 RANURAS
2 RANURAS
Fotografía 3.3.- Fuente de alimentación externa.
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Teoría básica de los PLC.
3.3.3-Fuente de alimentación a instrumentos.
Esta fuente de alimentación se le conoce también como fuente de alimentación de
fuerza. Esta fuente alimenta todos los instrumentos para que operen, por lo tanto las
características de la fuente dependen de las necesidades de la instrumentación misma,
así que esto puede ser tan variable que si se utilizan instrumentos con diferentes
rangos de alimentación se tienen que usar varias fuentes para cubrir todas las
necesidades.
3.4.-Módulos de tarjetas electrónicas de entrada.
A este módulo se unen eléctricamente los captadores (interruptores, finales de carrera,
pulsadores,...).
La información recibida en él, es enviada a la CPU para ser procesada de acuerdo la
programación residente.
Se pueden diferenciar dos tipos de captadores conectables al módulo de entradas: los
Pasivos y los Activos.
Los Captadores Pasivos son aquellos que cambian su estado lógico, activado - no
activado, por medio de una acción mecánica. Estos son los Interruptores, pulsadores,
finales de carrera, etc., como se muestra en la figura siguiente :
Figura 3.4.-Captadores pasivos
Los Captadores Activos son dispositivos electrónicos que necesitan ser alimentados
por una tensión para que varíen su estado lógico. Este es el caso de los diferentes
tipos de detectores (Inductivos, Capacitivos, Fotoeléctricos). Muchos de estos aparatos
pueden ser alimentados por la propia fuente de alimentación del autómata.
La figura siguiente muestra este tipo de captadores :
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Figura 3.5.-Captadores Activos
Sin embargo en circuitos automatizados, los captadores son generalmente abiertos, el
mismo arrancador paro/marcha realizado con un autómata es el de la figura siguiente,
en él se ve que ambos pulsadores y el relé térmico auxiliar son abiertos.
KM1
F1
F2
L
NC 0
C
1
C
C
2 4CJ 3
4 5
6
7
LYS
D
1
AUTOMATA
S1
KM1
S2
-
KM1 A1
S1.- PULSADOR DE PARADA
S2.-PULSADOR DE MARCHA
F1.-FUSIBLE
F2.-RELE TERMICO
KM1.-CONTACTOR DE LINEA
P. PARADA
S1
P. MARCHA
S2
24V 0 1 2
3
4
5 6
7
8 9 10 11
F2
A2
Figura 3.6.-Analogía entre un sistema Eléctrico y un sistema autómata
3.5.-Módulos de tarjetas electrónicas de salida.
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Teoría básica de los PLC.
El modulo de salidas del autómata es el encargado de activar y desactivar los
actuadores (bobinas de contactores, lámparas, motores pequeños, etc).
La información enviada por las entradas a la CPU, una vez procesada, se envía al
módulo de salidas para que estas sean activadas y a la vez los actuadores que en ellas
están conectados.
Según el tipo de proceso a controlar por el autómata, podemos utilizar diferentes
módulos de salidas.
Existen tres tipo bien diferenciados:
 A relés.
 A triac.
 A transistores.
3.5.1.-Módulos de salidas a relés.
Son usados en circuitos de corriente continua y alterna. Están basados en la
conmutación mecánica, por la bobina del relé, de un contacto eléctrico normalmente
abierto.La figura siguiente presente este tipo de módulos:
.
Figura 3.7.-Módulo de salidas con relés
3.5.2.-Módulos de salidas a Triacs.
Se utilizan en circuitos de corriente continua y corriente alterna que necesiten
maniobras de conmutación muy rápidas.
A continuación se presenta un módulo de salidas a Triacs:
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Teoría básica de los PLC.
Figura 3.8.-Módulo de salidas a triacs
3.5.3.-Módulos de salidas a Transistores a colector abierto.
El uso del este tipo de módulos es exclusivo de los circuitos de c.c. igualmente que en
los
de
Triacs,
es
utilizado
en
circuitos
que
necesiten
maniobras
de
conexión/desconexión muy rápidas, esto se muestra a continuación :
Figura 3.9.-Módulo de salidas a transistores a colector abierto.
La forma de conectar los actuadores a los módulos de salidas, dependerá del tipo de
módulo utilizado.
3.5.4.-Modulo de Salida Discretas.
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Teoría básica de los PLC.
Este es un dispositivo capaz de convertir una señal (on-off) como señales de fuerza, se
tienen señales de rango de 5 a 250 volts de corriente directa, así como de 12 a 250
Volts de corriente alterna. La señal de control siempre es la misma y solo maneja dos
valores, el primero de ellos es el cero lógico, (0 que equivale a valores entre rango de 0
a 2 Vcd aprox.) este valor indica el estado de apagado, abierto, o estado off del
instrumento conectado al módulo, el otro valor corresponde al uno lógico ( 1 que
equivale a valores entre el rango de 3.5 a 5 Vcd Aprox.) este valor nos indica el estado
de encendido, cerrado o estado on del instrumento conectado al módulo.
La fuente de alimentación del PLC es la que suministra la energía al módulo de salidas
discretas para que los circuitos electrónicos que están en su interior puedan operar. La
fuente de alimentación a instrumentos es la que proporciona la señal de fuerza hacia el
módulo de salidas discretas para que este pueda alimentar al instrumento conectado al
canal 1. A través del circuito electrónico optoacoplado. El funcionamiento del circuito
electrónico optoacoplado se muestra en la figura siguiente:
CIRCUITO ELECTRÓNICO OPTOACOPLADO
Alimentación al Módulo
Canal uno
SOLENOIDE 1
A
CIRCUITO
RECEPTOR
DE LUZ
B
CIRCUITO
EMISOR DE
LUZ
+
5 vcd FUENTE DE
- ALIMENTACIÓN
DEL PLC
Rangos de :
12 a 250 Vac
5 a 250 Vcd
Puntos de conexión a
través de los cuales se
reciben los datos del
FUENTE DE
ALIMENTACIÓN A
PROCESADOR hacia el
INSTRUMENTOS
módulo de SALIDAS
DISCRETAS, utilizando
como medio el
Figura 3.10.-Representación de un circuito electrónico optoComún
acoplado
En el caso de un módulo de salidas discretas el flujo de información nace en la memoria
del programa de control situado en el procesador o CPU.
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Teoría básica de los PLC.
Cuando el procesador envía una señal para activar una solenoide como se muestra en
la figura, primeramente envía una señal de control ( 1 lógico ) que sale del mismo
procesador y viaja a través del blackplane ( pista de datos ) del chasis, luego esta señal
de control es transferida a los peines de conexión del módulo de salidas discretas,
inmediatamente es activado el circuito emisor de Luz, generando un haz luminoso el
cual incidirá en el circuito receptor de luz, en un interruptor electrónico que unirá a los
puntos “A” y “B”, provocando así un puente para energizar la solenoide 1 indicada en la
figura, en este ejemplo expuesto se considera que la fuente de alimentación
a
instrumentos es de 24 Volts de corriente directa.
Los módulos de Salida discretas o digitales se clasifican de acuerdo a las fuentes de
instrumentos mismo que se vaya a utilizar, y se clasifican como sigue:
3.5.5.-Módulos de Salidas Discretas de Corriente Directa.
Existen varios tipos de módulos dentro de esta clasificación, como son, el número de
catalogo del módulo, el número de instrumentos o salidas que pueden ser conectados a
cada módulo, así como el nivel de energía o voltaje de operación del módulo, la máxima
demanda de corriente que soporta el módulo por cada salida y por el módulo completo
para alimentar los instrumentos conectados, y por último el consumo de corriente en el
backplane del chasis por el módulo.
3.5.6.-Modulo de Salidas Discretas de Corriente Alterna.
Existen varios tipos de módulos dentro de esta clasificación, como son el número de
catalogo del módulo, el número de instrumentos o salidas que pueden ser conectados a
cada módulo, así
como el nivel de energía o voltaje de operación del módulo, la
máxima demanda de corriente que soporta el módulo por cada salida y por el módulo
completo para alimentar los instrumentos conectados, y por último el consumo de
corriente en el backplane del chasis por el módulo.
3.6- Modulo de Entrada / Salida.
En la tabla siguiente se muestran algunos módulos de entradas analógicas de varios
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Teoría básica de los PLC.
tipos.
Tipo
Ent.
Analógicas
Ent.
Analógicas
Ent.
Analógicas
Aisladas
Ent.
Analógicas
Termopar
Ent.
Analógicas
RTD
Numero de
puntos
Rango de
Rango de
voltaje (Volt) corriente (mA)
8
0 a 5, 1 a 5 4 a 20, 0 a 20
Diferenciales
-10 a +10
-20 a +20
16 sencillas
8
0 a 50
Diferenciales
8
0 a 5, 1 a 5 4 a 20, 0 a 20
Diferenciales
-10 a +10
-20 a +20
1000 V
aislam.
8 diferenciales Tipo E, J, K,
R, S, T
6
3 hilos por
canal
Ent.
Analógicas
SERIE N
8
1000 V
aislam.
Sal.
Analógicas
Sal.
Analógicas
Sal.
Analógicas
Sal.
Analógicas
SERIE N
4
Aisladas
4
Aisladas
4
Aisladas
8
100 Ohms.
4 a 20
1 a 5 0 a 10
-10 a 10
Corriente
(mA)
backplane
750
No.
Catalogo
Resolución
1771-IFE
12 Bits
750
1771-IFM
12 Bits
1300
1771-IL
12 Bits
750
1771-IXE
/B
15 Bits
800
1771-IR /
B
16 Bits
2400
1771-NIS
0.34
uA / Bit
1500
4 a 20
0 a 50
0 a 25
1771OFE1
1500
1771OFE2
1500
1771OFE3
2800 @
177120mA 3200 NOC
@ 25mA
12 Bits
12 Bits
12 bits
3.2
uA / Bit
Tabla 3.11.-Módulos de Entradas
analógicas
3.7.-Módulos de Comunicación.
La mayoría de las aplicaciones hoy en día ya no pueden considerarse aplicaciones
aisladas en el proceso global, más aún, es necesario supervisar y monitorear
las
distintas variables que intervienen en el proceso.
Generalmente para la visualización o monitoreo de variables en un PLC se puede optar
por una Pantalla de Dialogo Hombre-Máquina o por la comunicación hacia un
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52
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Teoría básica de los PLC.
computador personal con software dedicado de desarrollo local o software de
supervisión gráfica comercial.
Cualquiera de las alternativa elegidas, cada una de ellas requiere de interfaces de
comunicaciones apropiadas para el establecimiento de la comunicación.
Una de las alternativas para esto, es la incorporación de módulos de comunicaciones
individuales para comunicación punto a punto, multipunto o para la integración a una
Red de Computadores. Los más comunes son:
3.7.1.-Módulos de Comunicación Asíncrona:
Estos módulos están destinados a la comunicación del PLC con dispositivos periféricos
que puedan soportar un enlace de comunicaciones de tipo serial. Podemos distinguir en
esta categoría dos tipos de interfaces:
Modulo de Comunicación Asíncrona Punto a Punto RS-232: con la cual podemos
comunicarnos con cualquier dispositivo que soporte la norma RS-232, tales como:
Computadores personales, pantallas de dialogo, otros PLC, impresoras seriales, etc.
Este tipo de comunicación se caracteriza por estar diseñado para enlaces de tipo punto
a punto y a distancias relativamente pequeñas, generalmente para un máximo de 18
mts., los parámetros que caracterizan este tipo de comunicaciones son:
 Velocidad
 Paridad
 Bits de datos
 Bits de Parada
 Distancia
 Control de Flujo
Cuando se requieren velocidades mayores, es posible aumentar la distancia mediante
dispositivos
especiales
denominados
LAN-DRIVERS.
Estos
permiten
alcanzar
distancias de varios Kilómetros a razones de transferencia máxima de 9600 bps.
Módulos de comunicación Multipunto: Estos se caracterizan por soportar la conexión
de varias estaciones trabajando en un esquema Maestro-Esclavo. Las velocidades de
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53
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Teoría básica de los PLC.
transferencia son muy elevadas, 1 Mbps, y las distancia abarcadas son cercanas a 1
kilómetro. Se distinguen dos tipos:
 RS-422
 RS-485
La RS-422 es una interfaz multipunto que puede soportar hasta 32 estaciones con una
velocidad de transferencia de 1 Mbps, hasta una distancia de aprox. 1 kilómetro en 2 o
4 hilos ( half-duplex, full-duplex ). La RS-485 es una mejora de la RS-422 en una
versión Half-duplex ( 2 hilos ) que tiene un mejor performance en sus característica
eléctricas.
Módulos de Red Propietarias: Los módulos de Red propietarias son módulos de
comunicaciones destinados a la comunicación de PLC de una marca en particular, no
están regidos por ninguna norma internacional y son diseñados por el fabricante para
sus propios dispositivos.
Modulo de Red Comerciales: Los módulos de Red comerciales, son módulos de
comunicaciones con normas internacionales que incorporan los fabricantes de PLC
para la integración de sus propios sistemas como también para la integración con
sistemas de redes comerciales y de otros fabricantes.
3.8.-Terminal de programación.
El terminal o consola de programación es el que permite comunicar al operario
con el sistema.
Las funciones básicas de éste son las siguientes:
 Transferencia y modificación de programas.
 Verificación de la programación.
 Información del funcionamiento de los procesos.
 Como
consolas
de
programación
pueden
ser
utilizadas
las
construidas
específicamente para el autómata, tipo calculadora o bien un ordenador personal,
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54
Monografía
Teoría básica de los PLC.
PC, que soporte un software especialmente diseñado para resolver los problemas
de programación y control. Los modelos siguientes muestran algunos ejemplos de
terminales de programación.:
Terminal de programación portátil Terminal de programación compatible PC
Fotografía y Dibujo 3.12.-Ejemplos de Terminales de programación
3.9.-Periféricos.
 Los periféricos no intervienen directamente en el funcionamiento del autómata, pero
sin embargo facilitan la labor del operario.
 Los más utilizados son:
 Grabadoras a cassettes.
 Impresoras.
 Cartuchos de memoria EEPROM.
 Visualizadores y paneles de operación OP.
3.10.-Lenguaje de programación.
Cuando surgieron los autómatas programables, lo hicieron con la necesidad de sustituir
a los enormes cuadros de maniobra construidos con contactores y relés. Por lo tanto, la
comunicación hombre-maquina debería ser similar a la utilizada hasta ese momento. El
lenguaje usado, debería ser interpretado, con facilidad, por los mismos técnicos
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55
Monografía
Teoría básica de los PLC.
electricistas que anteriormente estaban en contacto con la instalación. Estos lenguajes
han evolucionado en los últimos tiempos, de tal forma que algunos de ellos ya no tienen
nada que ver con el típico plano eléctrico a relés.
Los lenguajes más significativos son:
3.10.1.-Lenguaje a contactos. (LD)
Es el que más similitudes tiene con el utilizado por un electricista al elaborar cuadros de
automatismos. Muchos autómatas incluyen módulos especiales de software para poder
programar gráficamente de esta forma.
%X1
% Q 0.1
( )
%X2
% Q 0.2
( )
% Q 0.3
%X3
% M1
( )
% 10.2
% 10.7
Diagrama 3.13.-Modelo de lenguaje a contactos
3.10.2.-Lenguaje por Lista de Instrucciones. (IL)
En los autómatas de gama baja, es el único modo de programación. Consiste en
elaborar una lista de instrucciones o nemónicos que se asocian a los símbolos y su
combinación en un circuito eléctrico a contactos. También decir, que este tipo de
lenguaje es, en algunos los casos, la forma más rápida de programación e incluso la
más potente.
000
L D %10.1 Bp. Inicio ciclo
AND %10.0 Dp presencia vehículo
AND %M3 Bit. Autorización reloj calendario
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56
Monografía
Teoría básica de los PLC.
AND
AND
005
S
LD
AND
OR
R
0 1 0 LD
St
%10.5 Fc. Alto rodillo
%10.4 Fc. Detrás pórtico.
%M0 Memo inicio ciclo
%M2
%10.5
%10.2 Bp. Parada ciclo.
%M0
%M0
%Q0.0 Piloto ciclo
Modelo de un Programa
3.14.-Descripción por lista de instrucciones.
3.10.3.-Grafcet. (Sfc)
Es el llamado Gráfico de Orden Etapa Transición. Ha sido especialmente diseñado
para resolver problemas de automatismos secuenciales. Las acciones son asociadas a
las etapas y las condiciones a cumplir a las transiciones. Este lenguaje resulta
enormemente sencillo de interpretar por operarios sin conocimientos de automatismos
eléctricos.Muchos de los autómatas que existen en el mercado permiten la
programación en GRAFCET, tanto en modo gráfico o como por lista de instrucciones.
También podemos utilizarlo para resolver problemas de automatización de forma teórica
y posteriormente convertirlo a plano de contactos.
1
%10.2. %10.3
2
%10.3.
%10.2
3
%10.4
%10.5
Diagrama 3.15.-Modelo Grafcet.
3.10.4.-Plano De Funciones. (Fbd)
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57
Monografía
Teoría básica de los PLC.
El plano de funciones lógicas, resulta especialmente cómodo de utilizar, a técnicos
habituados a trabajar con circuitos de puertas lógicas, ya que la simbología usada en
ambos es equivalente.
Figura 3.16.-Plano de funciones
3.11.-Software de supervisión gráfica.
La necesidad de Controlar en forma más precisa y óptima los distintos procesos, junto
con la necesidad de incorporar elementos de supervisión e interacción con los
diferentes elementos de control que intervienen en un proceso productivo, han hecho
nacer una serie de programas de supervisión gráfica que permiten, mediante un PC o
una Red de Computadores más compleja, monitorear y supervisar elementos tales
como PLCs, Adquisidores de Datos, Controladores, Convertidores de Frecuencia, etc.,
etc.. Estos programas de Supervisión Gráfica permiten, mediante la generación de
mímicos del proceso, Monitorear el estado de variables, trazar curvas de Tendencias en
tiempo real, generar archivos Históricos, generación de Alarmas, generación de
Reportes, etc. En general proporcionan los elementos básicos de Control, Monitoreo y
Supervisión más herramientas de desarrollo que permiten crear elementos adicionales
para la adaptación del Software a los diferentes procesos productivos.
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58
Monografía
Teoría básica de los PLC.
Estos Software de Supervisión Gráfica se comunican con nuestros elementos de control
mediante una línea de comunicaciones de tipo estandarizada o mediante interfaces de
comunicaciones propietarias(diseñadas por el fabricante).
3.12.-plataformas de implementación.
Los Software de Supervisión inicialmente fueron concebidos en grandes sistemas de
control de tipo distribuido, montados sobre plataformas de hardware y de software
propietarias, esto es, en configuraciones de hardware, tanto de la arquitectura de los
controladores como de la red de comunicaciones, diseñadas por el fabricante. Así
también los Sistemas
Operativos soportantes eran Sistemas Operativos diseñados
especialmente para el sistema y pocas veces se utilizaban Sistemas Operativos de tipo
comercial. Esta situación ha cambiado en nuestros días, especialmente para
aplicaciones medianas a chicas, en el sentido de utilizar computadores personales y
redes de comunicaciones estándar para el monitoreo y supervisión de sistemas de
control.El Sistema Operativo soportante debe ser robusto, en el sentido de tener la
menor cantidad de fallas o “ Caídas “ con el fin de evitar la perdida de información del
sistema y la perdida de monitoreo y supervisión. El Sistema Operativo que presentaba,
tiempo atrás, la mejor performance en este aspecto era OS/2 de IBM y fue uno de los
Sistemas Operativos por excelencia para los software de supervisión, un ejemplo de
ello son:



Onspec
Monitor 77
Factory Link
La creciente popularidad de Windows, y sus mejoras con respecto a la robustez,
permitió que estos programas se implementaran en Sistemas Operativos más
populares, es así como hoy en día las plataformas más preferidas por los usuarios ( No
necesariamente la plataforma optima ) son en orden de popularidad.


Windows 3.11
Windows 95
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59
Monografía

WindowsNT

Unix

Dos

OS/2
Teoría básica de los PLC.
Y los sistemas más populares para aplicaciones medianas a chicas, al menos en forma
local son:

Factory Link

Wonderware

Pcim

Paragon

Fix

Onspec

Genesis
3.13.-licencias en un software de supervisión .
La Mayoría de los Software de Supervisión se componen de Módulos que identifican las
diferentes funcionalidades de estos. A su vez cada módulo se puede adquirir para dos
formas de trabajo, estas son:

Licencia RunTime

Licencia para Desarrollo
Licencia RunTime: Este modo corresponde al modulo destinado solamente para le
ejecución final de la aplicación, solo permite que la aplicación sea ejecutada sin permitir
modificaciones o cambios en la aplicación desarrollada.
Licencia para Desarrollo: Este modo de licencia permite la creación de la aplicación,
es decir en la fase de desarrollo y construcción de nuestra aplicación debemos disponer
de este modo para los distintos módulos que utilizaremos. Generalmente las fases de
desarrollo de una aplicación se dividen en el desarrollo propiamente tal y la fase de
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Monografía
Teoría básica de los PLC.
ejecución. Para la primera fase se necesita al menos una Licencia de Desarrollo para la
construcción de la aplicación y tantas licencias RunTime como estaciones de trabajo se
requieran instalar.
3.14.-Módulos en un software de supervisión.
La mayoría de los Software de Supervisión Gráfica se componen en módulos que
proporcionan las diferentes herramientas para el desarrollo de aplicaciones, entre estas,
las más importantes son:

Módulo de Configuración

Módulo de Animación Gráfica

Módulo de Tendencias en Tiempo Real

Módulos de Generación de Históricos

Módulos de Gestión de Alarmas

Módulos de Generación de Reportes

Módulo de Configuración de Drivers
3.15.-Drivers en un Software de Supervisión.
Una de las misiones adicionales de un Software de Supervisión es la integración y la
interacción con dispositivos de control de distintos fabricantes, es así como estos
programas proporcionan compatibilidad con la mayoría de los elementos de control que
existen en el mercado. La compatibilidad de realiza mediante la creación de Módulos de
Interface ( Drivers ) que ese encargan de la comunicación del Software con el, o los
elementos de Control finales. Cada uno de estos Drivers se adquiere por separado y de
acuerdo a la marca y modelo del PLC o elemento final de control. La forma en
direccionar en el Software cada una de las variables varía con respecto al software,
aunque la mayoría adopta el sistema de Tags Internos ( variables Internas en el
Software ) y tablas de relación con las variables del PLC que se configuran en los
Drivers correspondientes.
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61
Monografía
Teoría básica de los PLC.
3.16.-El Procesador o CPU.
La unidad central de proceso o CPU (siglas que corresponden a las iniciales en inglés
de Central Processing Unit) es el componente principal de un PLC. La CPU se encarga
de realizar las operaciones de cálculo y también de controlar el flujo de datos entre los
diversos elementos que forman un PLC. En un símil biológico la unidad central de
proceso puede considerarse el corazón y el cerebro del ordenador.
Este se muestra en la composición siguiente:
Figura 3.17.-Analogía entre un procesador y el cerebro
humano
Una unidad central de proceso básica está constituida por un único procesador que se
encarga de realizar las operaciones de cálculo y de controlar el resto de dispositivos
que forman el PLC. La tecnología actual permite integrar todos los elementos de un
procesador a escala reducida
en un sólo componente que se denomina
microprocesador.
3.16.1.-Modo de operación de un microprocesador.
En el microprocesador reside el poder ejecutivo del ordenador, pero sólo puede
almacenar en su interior pequeñas cantidades de datos. Cuando la cantidad de datos a
procesar es elevada se necesitará de un sistema de almacenamiento asociado al
microprocesador, que se denomina memoria principal.
El procesador en términos funcionales es una caja negra que recibe como entrada
instrucciones y datos, produciendo como salida nuevos datos.
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62
Monografía
Teoría básica de los PLC.
Los datos son elaborados en su interior de acuerdo a un algoritmo expresado mediante
las instrucciones. El procesador ejecutando las instrucciones secuencialmente genera
como resultado los nuevos datos de salida.
Los datos de salida pueden ser ligeras modificaciones de los de entrada o incluso
copias de los mismos, aunque normalmente a la salida serán datos nuevos creados a
partir de la entrada y modificados de acuerdo a complejos algoritmos.
Nada impide que
los datos de salida puedan ser la codificación de nuevas
instrucciones para el procesador.
Finalmente, los datos de salida producidos por el procesador se almacenan en el
sistema de memoria o se envían a los dispositivos periféricos que los necesiten y así lo
requieran. En un microprocesador de propósito general, la tarea a realizar se especifica
en un programa.
Un programa consiste en una secuencia de instrucciones, codificadas (código máquina)
de acuerdo a un formato interpretable por el procesador.
El procesador sólo será capaz de ejecutar un conjunto básico de instrucciones, cada
una de las cuales realiza una operación elemental muy simple. El programa por tanto
será la secuenciación de las instrucciones elementales de tal manera que lleven a cabo
el algoritmo que describe la tarea que se desea realizar.
 El proceso que deber realizar una microprocesador para ejecutar estos programas
puede subdividirse en los siguientes pasos:
 Obtener el código del programa a ejecutar y los datos desde algún lugar de
almacenamiento.
 Realizar la elaboración de los datos de entrada de acuerdo a las instrucciones
elementales que se encuentren codificadas en el programa. Estas instrucciones se
ejecutan una a una de manera secuencial.
 Guardar el resultado de la manipulación de los dados en algún medio de
almacenamiento o enviarlo a los dispositivos periféricos.
El esquema siguiente muestra como se compone un procesador de manera básica:
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Monografía
Teoría básica de los PLC.
Esquema 3.18.- Partes de un procesador.
De este esquema se tiene lo siguiente:
La Unidad de Control es la encargada de realizar el control del proceso, es decir de
generar las señales necesarias para activar los componentes de la unidad de
tratamiento que actuarán sobre los datos en el instante de tiempo que corresponda.
Para su funcionamiento suele disponer de los siguientes elementos:
 Decodificador de Instrucciones.
 Registro Contador de Programa (PC) .
 Registro de Instrucciones(IR).
 Unidad Aritmético Lógica (ALU).
 Registro Acumulador (ACC).
 Registros de propósito general.
Estos componentes aparecen en todos los procesadores de propósito general.
El Decodificador de Instrucciones es la unidad que interpreta el contenido del registro
de instrucciones y permite generar las señales adecuadas para ejecutar la instrucción.
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Teoría básica de los PLC.
El Decodificador de Direcciones es la unidad que interpreta la dirección en el registro de
direcciones de Memoria MAR y selecciona la posición de memoria a ser accedida.
Los registros son elementos de almacenamiento, donde se almacenan temporalmente
valores durante la ejecución de un programa. En la unidad de control se dispone
generalmente de los siguientes registros:
 Contador de Programa: Guarda la dirección de la siguiente instrucción a ser
ejecutada.
 Registro de Instrucciones: Guarda la instrucción en curso de ejecución.
 Registro de Estado: Mantiene información "bits de estado" o " flags" con información
sobre lo que ha pasado en la operación realizada por la ALU.
 Registro de Direcciones de Memoria (MAR): Guarda la dirección del dato que va a
ser accedido en la memoria.
La Unidad Aritmético Lógica es la unidad encargada de realizar las operaciones
matemáticas, operaciones lógicas y comparaciones.
Internamente está formada por circuitos lógicos elementales para realizar estas
operaciones: sumas, incrementos, operaciones lógicas, desplazamientos, rotaciones,
comparaciones, etc.
3.16.2.-Tipos de procesadores
En los últimos años se distinguen dos grandes tendencias en la construcción de
procesadores. Se diferencían esencialmente en las características de su repertorio de
instrucciones.
1. Los procesadores CISC (Complex Instruction Set Computer) tienen un repertorio
con un número de instrucciones alto (200-300); estas instrucciones además son más
complejas que las de RISC, con lo que la circuitería necesaria para decodificación y
secuenciación también aumenta, y la velocidad del proceso disminuye. Como
ventaja, tenemos que se necesitan menos instrucciones para ejecutar una tarea
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65
Monografía
Teoría básica de los PLC.
Además, el formato de las instrucciones es bastante variable (es decir, hay
bastantes formatos). Además, el diseño hace que el procesador tenga que realizar
constantes accesos a memoria.
2. Los
procesadores
RISC
(Reduced
Instruction
Set
Computer)
tienen
características opuestas a los CISC. Su juego de instrucciones es más reducido
(menos de 128), y las instrucciones son más sencillas (con lo que se necesitarán
más instrucciones para ejecutar una tarea). El formato de instrucciones es fijo (o
serán pocos formatos), con lo que el control del hardware es más sencillo y se
facilita la colocación de las instrucciones en la memoria, lo que implica que los
accesos a la memoria se aceleren. Por otra parte, estos accesos a memoria son
menos frecuentes ya que el procesador posee un mayor número de registros. Estos
procesadores son los que están presentes en las estaciones de trabajo. Como
ejemplos podemos citar los procesadores ALPHA de Digital Equipment, y los
SuperSPARC y MicroSPARC de Sun Microsystems y Texas Instruments.
Relacionada con los conceptos RISC y CISC está la técnica de segmentación
("pipeline"); esta técnica consiste en dividir la ejecución de la instrucción en bloques
independientes que se ejecutan en paralelo. Es más eficiente para los procesadores
RISC, aunque también se implementa en CISC. Para incrementar el rendimiento del
procesador se debe buscar instrucciones ejecutables en paralelo.
El sistema de carga de instrucciones debe analizar la secuencia de instrucciones que
entran al procesador y buscar instrucciones ejecutables en paralelo así como diseñar
un control que tenga en cuenta posibles dependencias de datos entre las instrucciones
a ejecutar en paralelo. Esto hace que el hardware se complique más.
En resumen el CPU es la tarjeta electrónica más importante de todas y va insertado en
una de las ranuras del chasis.
Como sistema se considera como la parte medular en el control del PLC ya que es el
que procesa toda la información que recibe de los módulos de entradas y de acuerdo a
una lógica previamente determinada por el usuario ejecuta un programa de control,
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Monografía
Teoría básica de los PLC.
cuando termina de ejecutar este programa envía un resumen de señales de control de
salida para activar los módulos de salida discretas.
Obviamente en el interior de la memoria del procesador reside toda la programación
del sistema, para esto el CPU cuenta con mas de 80 instrucciones de alto nivel, cuenta
con
una
serie
de
rutinas
de
autoverificación
para
diagnosticar
su
óptimo
funcionamiento, adicionalmente tiene una serie de puertos de comunicación hacia el
exterior para poder enviar o recibir información de o hacia unidades remotas
dependientes del PLC.
3.16.3.-Clasificación de la familia de los PLC´s.
Por último, la clasificación de los PLC se identifican de la siguiente forma:
 La familia de los PLC´s pequeños conocidos comúnmente como la familia
Micrologix 1000 proporciona controladores lógicos programables más compactos y
económicos. Están disponibles en 16 E / S ( entradas y salidas) o 32 E / S en 5
diferentes configuraciones eléctricas. Las opciones de E / S y las configuraciones
eléctricas los hacen ideales para casi cualquier aplicación.
 La familia de los PLC´s medianos conocidos comúnmente como la familia SLC 500
ofrece una amplia gama de selecciones en capacidad de memoria, capacidad de E /
S, conjunto de instrucciones y puertos de comunicación que permiten adecuar un
sistema de control a los requisitos específicos de las aplicaciones.
 La familia de los PLC´s grandes conocidos también la familia de controladores PLC5, estos controladores tienen los más avanzados procesadores de una sola ranura,
cuentan con opciones de comunicación incorporadas, que les permiten desarrollar
una arquitectura de control más completa, de acuerdo a la aplicación requerida.
 La familia de los PLC´s muy grandes conocidos también como la familia de los
controladores PLC-5/250, el procesador PLC-5/250 es el miembro más grande de la
familia PLC-5 de controladores lógicos programables. Como miembro del sistema
Pyramid Integrator de Allen-Bradley, este procesador avanzado es ideal para
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67
Monografía
Teoría básica de los PLC.
aplicaciones de control integrado y procesamiento de base de datos muy grandes de
información.
3.16.-Ejemplo de un sistema de control a base de PLC.
En la figura siguiente se ilustra un circuito muy sencillo que consiste en un interruptor
como instrumento de campo de entrada, y se tiene como elemento de salida de campo
una lámpara de 110 Vac. Para conectar estos dos elementos se utiliza un sistema de
control (PLC) con los elementos que conforman.
Fuente de
Alimentación
del PLC
5 Vcd
SW-1
MED
MSD
CPU
Entrada 1
PLC
L
Salida 1
+
-
24 Vcd
fuente de
Instrumentos
LAMPARA
110 Vac
60 Hz
Fuente de
instrumentos
Programa de control del PLC
*Si SW-1 se cierra entonces enciende LAMPARA
*Si SW-1 se abre entonces apaga LAMPARA.
Figura 3.19.-Ejemplo de un modelo de control.
Este ejemplo cubre los conceptos más importantes hasta aquí descritos, teniéndose de
cómo resumen que el elemento central y más importante corresponde al procesador o
CPU, el cual es en esta tarjeta electrónica donde está alojado el programa de control
que puede ser modificado por el usuario en caso de requerirse otra lógica de control.
Resumiendo y siguiendo el flujo indicado por las flechas, cuando se cierra el interruptor
SW-1 se está enviando la señal al MED ( Modulo de entradas discretas) el cual
convierte esta señal de fuerza a una señal de control siendo enviada al procesador o
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Monografía
Teoría básica de los PLC.
CPU, para esto el procesador ya tiene dentro de su memoria un programa de control
que contempla a el interruptor SW-1 y a la LAMPARA.
En el mismo programa se ejecutaran las ordenes que ya tienen previamente
programadas, obedeciendo que cuando el interruptor SW-1 se cierre el programa tiene
la orden de enviar una señal de control hacia el MSD ( Módulo de Salidas Discretas)
para que este la convierta en una señal de fuerza terminando por encender la lámpara
como se indica en la figura de arriba.
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Monografía
Teoría básica de los PLC.
TRATAMIENTO DEL TEMA.
El desarrollo del presente trabajo en su calidad de monografía se realizó como una
Investigación fundamentada en documentación escrita, recopilada y seleccionada de:
 Bibliografía existentes encontradas en diferentes bibliotecas de la región, algunas
en el idioma Inglés, realizándose las traducciones respectivas de algunos textos que
sirvieron de apoyo para complementar la información aquí escrita.
 Se realizó de manera fundamental el uso y acceso de la red de comunicaciones mas
grande del mundo, el Internet y el cual permite estar a la vanguardia en los
conocimientos mas actualizados dentro de la ingeniería y la industria de control
moderna
 Así también se revisaron artículos y documentos que presentaron información sobre
el tema de tal modo que pudo extraerse aquella que de una u otra forma tenía
relación con los contenidos aquí tratados.
La información que se fue encontrando, se seleccionó empleando una estructura con un
criterio propio de organización y definición, pero literalmente factible de comprender por
el lector o usuario del texto.
Los sub-temas están organizados de manera secuencial, es decir cada tema
desarrollado vincula el siguiente, salvo en aquellos casos en los cuales se acepta y
considera que el lector tiene conocimientos previos y básicos de algunos conceptos que
permiten comprender los aquí tratados.
Así también se anexaron fotografías, dibujos, esquemas, algoritmos y algunos modelos
gráficos que permiten proporcionar al lector un panorama más amplio y objetivo con
respecto a aquellos temas donde se requería ahondar en explicaciones mas detalladas
en aspectos técnicos, manuales e informativos.
Tambien se trabajó con el uso y diseño de tablas que permiten mostrar algunas
referencias sobre datos importantes que determinan en su momento parámetros y
valores de operación de algunos elementos importantes dentro de la operación de los
PLC´s.
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Monografía
Teoría básica de los PLC.
Es importante destacar que dentro del campo de la información con respecto a estos
dispositivos de control es muy amplia y como tal, no es fácil recuperarlo todo y mucho
menos expanderse a la misma, razón a esto, en el presente trabajo solamente se
realizó una extracción de información que por su calidad de complemento presentan un
amplio panorama de lo es la tecnología de los Dispositivos PLC´s.
Esperando en el bien uso de este trabajo por aquellos estudiantes y toda aquella
persona con el deseo de conocer más sobre estos dispositivos, dejo el mismo como un
paso más en el proceso de enseñanza-aprendizaje dentro de las aulas de la
Universidad, haciendo hincapié en que el conocimiento de cada uno de los lectores se
centra en su interés real dentro de la ingeniería de control.
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Monografía
Teoría básica de los PLC.
CAPITULO III
CONSIDERACIONES FINALES
El tema de los PLC es un tema actualmente muy amplio en lo que respecta a tecnología
avanzada y de punta dentro del diseño de equipos enfocados a la Ingeniería del
Control, ya que cada día presentan mayor demanda y se piensa que en un futuro
lejano todos nuestras operaciones técnicas y manuales van a estar sincronizadas,
ordenadas y determinadas por el uso de la tecnología de los autómatas.
El presente trabajo solo es un compendio de la mucha información que puede
encontrarse tanto en manuales, libros, revistas técnicas de ingeniería y sobre todo en la
gran vía de la comunicación que es nuestra red de Internet, información que ha sido
totalmente seleccionada, estructurada y presentada de manera eficiente para que toda
aquella persona interesada en este tema pueda consultar de modo rápido algún
concepto u otro aspecto de su interés.
Asimismo, es importante destacar que aquí, que en el estudiante que guste de conocer
más acerca de estos dispositivos, persista el interés y el deseo por acercarse a este
mundo del automatismo y control que dentro de la Ingeniería actualmente está
causando una gran revolución de conocimientos tanto teóricos como prácticos y por lo
cual se recomienda al estudiante no desistir y si en cambio persistir por tomar más
documentos y consultar mayor información que le permita adentrarse aún más a este
mundo de la Ingeniería del Control.
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Monografía
Teoría básica de los PLC.
BIBLIOGRAFÍA
1.- Título : Nociones sobre la Aplicación de PLC´s al Control de Procesos Industriales.
Ramón Ferreiro García
Editorial F.D. Cataluña, España., 1999.
2.- Título : Técnicas de Automación Industrial.
José Horta Santos.
Editorial CECSA, 1997.
3.- Título : Introducción a la Teoría de autómatas lenguaje y computación.
John E. Hopcroft
Jeffrey D. Ullman.
Editorial CECSA, 1993.
4.- Título : Sistemas de Control.
Gene H. Hostetter
Clement J. Savant.
Editorial McGrawHill., 1995
5.- Título : Sistemas Automáticos de Control.
Benjamín C. Kuo.
Editorial CECSA, 1998.
6.- Título : Ingeniería de Control Moderna.
Katsuhiko Ogata.
Editorial PRENTICE HALL INTERNATIONAL, 1982.
7.- Título : Los Procesadores Programables. (Microprocesador).
Enrique Mandado
Editorial JFK, Cataluña España, 1997.
8.- Título : Sistemas de Control en Tiempo Discreto.
Katsuhiko Ogata
Editorial PRENTICE HALL COMPANY, 1996.
Páginas Electrónicas de consulta :
9.- www.clas-sa.com
10.- www.directindustry.com
11.- www.fenz.es
12.- www.powerconv.alstom.com
Facultad de ingeniería Mecánica Eléctrica
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Monografía
Teoría básica de los PLC.
13.- www.ad.siemens
14.- www.adt.fr
15.- www.audiogil.es
16.- www.lanzadera.com
17.- www.plaquetodo.com
18.- www.metalunivers.com
19.- www.automatas.org
20.- www.bitmakers.com
21.- www.zabalnet.com
22.- www.diesia.uhu.es
23.- www.sasistel.es
24.- www.grupojar.com
25.- http://users.servicios.retecal.es
26.- http://scmstore.com
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Monografía
Teoría Básica de los PLC
ANEXOS
A continuación se anexan algunos ejemplos de modelos que son posible encontrar en
el mercado de los PLC´s, se hace referencia a algunas de sus características y
aplicaciones posibles.
GLOFA GM7
 Hardware tipo bloque/ Capacidad de programa: 68Kb/ Puntos de E/S: modelos con
12E/8S, 18E/12S, 24E/16S, 36E/24S. Unidades de expansión de 6E/4.
 2 canales RS-232C incorporados para interface con herramienta de programación,
interface operario máquina, protocolo maestro-esclavo Modbus, UDP (Protocolo
definido por el usuario) para otros dispositivos como controladores de temperatura y
protocolos dedicados de LG.
 Tres lenguajes de programación: Lista de instrucciones (IL), diagrama de escalera
(LD) y diagrama de funciones secuenciales (SFC.)
 Funciones de simulación en el computador sin conexión al PLC.
 Alta velocidad de procesamiento (0.5 μs/paso)
 Alto performance en tamaño compacto.
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Monografía
Teoría Básica de los PLC
 Forma de operación: ejecución cíclica de programas almacenados (hasta 100
programas en 1 CPU) e interrupción para ejecución de programas controlados por
eventos internos o externos.
 Múltiples funciones especiales incorporadas: Contador de alta velocidad (1fase16Kpps, 2fases-8Kpps), salida de pulso (2Kpps max.) para aplicaciones de control
de posicionamiento simple y motores de paso, control PID con autotuning y sin
límites de lazos, 8 entradas capta-pulsos de ancho pequeño (0.2ms), entradas para
interrupción externa, reloj de tiempo real.
 Unidades opcionales con funciones especiales: E/S analógicas (2canales/1canal),
potenciómetro analógico para ajuste externo de valores de variables en el PLC,
unidad CNET para interfaces RS-232C ó RS-422/485, modo de comunicación
maestro/esclavo MODBUS y comunicación larga distancia de MODEM RS-232C.
Modelo CPM2C
 El micro-PLC CPM2C de OMRON redefine la categoría tradicional de los microPLCs pués se colocó la velocidad y funciones de comunicación de un PLC grande
en esta unidad ultra compacta a un mínimo precio.
 Los 33mm de ancho de los CPM2C le permite encajar en los espacios más
pequeños, ofrece 119 instrucciones, múltiples opciones de comunicación y
características de control de movimiento avanzadas.
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Monografía
Teoría Básica de los PLC
 Posee capacidad para manejar hasta 140 puntos de E/S, entradas de contador de
alta velocidad, salidas de pulso de 10 KHz e incorpora un puerto RS-232C.
Modelo SRM1
 Increíblemente pequeño, ideal para instalación en lugares confinados.
 El SRM1 es un PLC de E/S en red y distribuidas, es decir los terminales de E/S
pueden estar en forma remota en distintas partes de la máquina (extensión total:
100 mts) y la comunicación se realiza por par trenzado lo cual reduce en gran
proporción el cableado.
 Tiene capacidad para manejar hasta 256 puntos E/S (128 entradas/128 salidas), la
velocidad de comunicación puede ser de hasta 750 kbps, posee 4000 words de
memoria y 137 instrucciones.
 La ingeniería de este PLC incluye los componentes necesarios para la solución
completa de un grueso de aplicaciones comunes.
 Tiene incorporado un puerto RS232-C para interconexión con un Computador,
Interface Operario-Máquina u otro SRM1.
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Teoría Básica de los PLC
PLC TSX
Es un PLC modular compacto, que responde de manera económica en automatización
de máquinas con
requerimiento de hasta 250 E/S y que necesitan funciones
específicas de altas prestaciones, tales como E/S analógicas, contaje, regulación,
posicionamiento, "diálogo" hombre-máquina y comunicaciones.
90-micro GE Fanuc
Designado como un miembro poderoso sucesivo de la familia de controladores de la
serie 90-30.
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Teoría Básica de los PLC
La serie 90 Micro PLC es un ideal camino para reemplazar relays y automatizar
pequeños procesos.
Hitachi H-200 Controlador Programable
El nuevo H-200 es el menor de la serie H (H-300/700/2000) para media o larga escala.
El H-200 tiene las características de la serie H, como:
 Alta velocidad de procesamiento.
 Fácil de usar.
 Expandibilidad.
 Exacto. Incorpora un reloj de tiempo real.
 Fiable. Varias funciones de la serie H son incorporadas.
 Poderoso. 2 lenguajes de programación están incorporados.
Modicon 984
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Teoría Básica de los PLC
Cada sistema de control 984 consiste de un PLC conectado a módulos de E/S en las
plantas. Las E/S están
cableadas a dispositivos sensores o switches conectados
directamente con su aplicación. El 984 controla su aplicación basado en datos
recibidos de las E/S de los módulos donde se conectan los dispositivos.
Los módulos de Entrada aceptan señales de dispositivos de campo y los convierten a
voltaje, que acepta el CPU del
PLC para que los procese. Los módulos de salida
reciben señales del CPU y los convierten a voltajes o corrientes necesarios para activar
switches en la planta.
Autómata programable PCI-52B
Características :
 Programable en Basic
 Interface serie RS-232
 6 salidas a relé de 10A con led indicador
 8 entradas digitales optoacopladas con led indicador
 display de 2 dígitos numéricos
 memoria ram estática de 32k
 capacidad de grabación de memorias eprom
 ampliable mediante Remote Expander
 entrada de interrupción tratable desde basic
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Teoría Básica de los PLC
 salida de impresora serie
 salida de señal pwm (audio o regulación)
 bus de ampliación
 posibilidad de programación en ensamblador
 posibilidad de compilar los programas basic
REMOTE EXPANDER
Características de todos los modelos:
4
entradas
analógicas
8bits
configurables
independientemente en 5V,10V,20mA,40mA
Salida analógica 8bits
Comunicación serie I2C a 4 hilos a mas de 200 mts
Configuración de 8 posibles direcciones.
Controlable desde PCI52B y desde PC con interface
PC I2C
Modelo 8 Out: 8 salidas digitales a relé de 10A con
led indicador
Modelo 8 In: 8 entradas digitales optoacopladas con
led indicador
Modelo 4Out/4In: 4 salidas y cuatro entradas iguales
a los anteriores
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