7. CONTROL LÓGICO PROGRAMABLE_003

Controladores Lógicos Programables/MASB

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CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES


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2. CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES (PLC)

• Un PLC es un equipo electrónico de control basado en un microprocesador con un cableado interno (hardware) independiente del proceso a controlar, que se adapta a dicho proceso mediante un programa (software) que contiene la secuencia de operaciones a realizar. Esta secuencia se define sobre señales de entrada y salida al proceso, cableadas directamente en los bornes de conexión del PLC.

• Las señales de entrada provienen de sensores. Las señales de salida son digitales todo o nada o analógicas que se envían a los elementos indicadores y actuadores del proceso.

• El PLC gobierna las señales de salida según el programa de control previamente almacenado en una memoria, a partir del estado de las señales de entrada.


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2.1 Estructura interna de un PLC

• Un PLC se compone esencialmente de los siguientes bloques:– Unidad central de proceso (CPU).– Módulos de memorias: internas y de programa.– Interfaces de entrada y salida.– Fuente de alimentación.

• Las interfaces E/S están diseñadas para interconectar al PLC con procesos industriales, con señales de diversos tipos:– tensiones continuas 12/24/48 V dc,– tensiones alternas 110/220 V ac,– analógicas de 0 -10 V o 4 - 20 mA,– por relé, entre otras.


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2.1 Estructura interna de un PLC


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2.2 Estructura externa de un PLC

• Todos los controladores lógicos programables, poseen un de las siguientes estructuras.

• Compacta: En un solo módulo están todos los bloques.• Modular:

– Estructura americana: Separa los bloques de entrada/salida del resto del PLC.

– Estructura europea: Cada módulo es una función (fuente de alimentación, CPU, E/S, etc.).


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2.3 Ciclo de funcionamiento del PLC

• Los PLC son máquinas secuenciales que ejecutan correlativamente las instrucciones indicadas en el programa de usuario almacenado en su memoria, generando unas señales de mando a partir de las señales de entrada leídas de la planta. Al detectarse cambio en las señales de entrada, el PLC reacciona según el programa hasta obtener las órdenes de salida necesarias. Esta secuencia se ejecuta continuamente y se denomina scan.

• La secuencia de operación tiene tres fases:– Chequeo del estado de las entradas– Ejecución del programa.– Actualización del estado de las salidas.


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• El tiempo total que emplea el PLC para realizar un ciclo de operación se llama tiempo de ejecución de ciclo (scan time).

• El tiempo mencionado depende de:– El número de entradas/salidas.– La longitud del programa de usuario.– El número y tipo de periféricos conectados al PLC.

• Para un PLC estándar que necesite unas 1000 instrucciones, el tiempo de ciclo total es del orden de 20 ms.


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Scan


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Los cambios en entradas 1 y 2 son “vistas” en los scan siguientes.El cambio de estado en entrada 3 no es “visto” nunca.


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a) Pulse stretch function b) Interrupt function

Para evitar lo no detección de los cambios en entradas:


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2.4 Programación del PLC

• Se define lenguaje de programación, al conjunto de símbolos y textos inteligibles por la unidad de programación que le sirve al usuario para codificar sobre el PLC las leyes de control deseadas.

• Pasos de la programación:– 1°) Definir el orden en que debe actuar el controlador

(mediante diagrama de flujo o GRAFCET).– 2°) Identificar los componentes de entrada/salida.– 3°) Representar las acciones a realizar (instrucciones literales o

símbolos).– 4°) Asignar direcciones de E/S o internas a cada componente.– 5°) Codificar la representación anterior en instrucciones o

símbolos.– 6°) Transferir las instrucciones a la memoria del PLC.– 7°) Depurar el programa y obtener copia de seguridad.


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• 2.4.1 Funciones algebraicas Se obtienen aplicando el álgebra de Boole.

– Ejemplo: La alarma S debe activarse cuando el contacto C está cerrado y los contactos A y B en estados opuestos. La función booleana será:

_ _ S = (A .B + A.B).C


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• 2.4.2 Esquema de relés Basado en símbolos de contactos abierto-cerrado. Ejm: Para el caso de la alarma:

L1

N

A A

B B

C

S


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• 2.4.3 Diagramas lógicos Mediante puertas que representan funciones lógicas. Ejm: Para el caso de la alarma:

&

&>=1

&

AB

CS


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2.4 Programación del PLC• 2.4.4 Representación GRAFCET

Representa directamente la sucesión de las “etapas” dentro de un ciclo de producción, separadas por “transiciones” o condiciones de salto entre unas y otras. Ejm:

0

1

2

Etapa inicial

X

Y

Z

Acciones de etapa 1

Acciones de etapa 2 X,Y,Z:Transiciones


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• Representación GRAFCET

– Luego de activarse la etapa inicial, el ciclo se desarrolla etapa por etapa.

– Mientras una etapa está activa, el control:• ejecuta las acciones o función de mando asociadas a la etapa,• consulta las condiciones de transición para el salto a la

siguiente etapa.

– Tanto la ejecución de las acciones de la etapa como la consulta de las condiciones de transición pueden representarse por cualquiera de los modelos anteriores, especialmente el esquema de relés.


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2.5 Interfaces de E/S• La función de la interfaz es enlazar dos componentes a nivel

de hardware y a nivel de código.• De acuerdo al sentido del enlace hay dos tipos:

– Unidireccionales: Transferencia de información en un solo sentido.

– Bidireccionales: Transferencia en ambos sentidos: half-duplex o full-duplex.

• Dependiendo del tipo de señales que emplee, se tiene:– Todo-nada: Un solo bit.– Analógicos: 0 - 10 V, 4 - 20 mA.– Digitales: 8, 16,...bits.

• Existen interfaces específicas que permiten la conexión con elementos o procesos particulares de la planta, realizando funciones que van desde la lectura de termocuplas hasta la presentación de información y control SCADA.


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2.5 Interfaces de E/S

De entrada


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2.5 Interfaces de E/S De salida


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2.6 Asignación de direcciones• Identificadas las variables de entrada y salida, hay que

asignarles las direcciones de bornes donde irán conectadas. En el caso de variables internas hay que asignarles el elemento de memoria donde se depositarán.

• Las direcciones E/S absolutas propias de PLC compactos están formadas por un solo campo.

• Las direcciones relativas en PLC modulares, tienen dos campos:– dirección del módulo sobre el bastidor,– dirección del borne de conexión sobre el módulo.– Ejm:

• IN 5.7 : entrada 7 del módulo 5.• OUT 25/1 : salida 25 del módulo 1.• IR 12 : relé interno número 12.• TIM 6 : temporizador 6.

• Las señales E/S de varios bits ocupan varios puntos físicos.


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2.7 Aplicación al control de nivelEl motor se activará cuando el nivel esté bajo y se apagará cuando el nivel está alto.Los sensores de nivel son NC (normalmente cerrados).

Sensor de nivel bajo: 0000

Sensor de nivel alto: 0001

Motor: 0500

Relay interno: 1000


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2.7 Aplicación al control de nivel

Programa en diagrama de contactos


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2.7 Aplicación al control de nivelFuncionamiento del programa

1) Inicialmente el tanque está vacío (ent. 0000 y 0001 cerradas). El motor empieza funcionar.

Scan 1 Scan 2 al 100


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2.7 Aplicación al control de nivel2) Suponga que después de 100 scans el nivel de aceite alcanzaal sensor de nivel bajo, el cual se abre.

Scan 101 al 1000


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2.7 Aplicación al control de nivel3) Suponga que después de 1000 scans el nivel alcanza al sensorde nivel alto, el cual se abre. Se apaga el motor.

Scan 1001 Scan 1002


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2.7 Aplicación al control de nivel4) Si después de 1050 scans el nivel desciende del nivel alto, en-tonces el sensor correspondiente se cierra.

5) El nivel sigue descendiendo hasta llegar al nivel bajo, cerrándoseel sensor correspondiente. En este instante se regresa a la situacióndel scan 1 y se repite la operación.

Scan 1050


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2.8 GRAFCET

• El GRAFCET (GRÁfico Funcional de Control de Etapas y Transiciones), nació de los trabajos de la AFCET (Association Francaise pour la Cybernétique Économique et Technique) en la década de los setenta.

• Permite dividir un sistema automatizado en etapas (pequeñas partes), programar y probar cada etapa, y luego unirlas para formar el programa completo.

• De esta manera se facilita la corrección de errores en programación, se simplifica la inclusión o modificación de líneas lógicas o parámetros.


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2.8 GRAFCET

• Reglas• a) Divergencia en O

1

2 3

A B

Puede ocurrir que las etapas 2 y 3 trabajen a la vez.¿Qué sucede si B = A?


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2.8 GRAFCET

• b) Convergencia en O

3

1 2

A B

_ ¿Cómo funciona el esquema si la condición_de la izquierda es A.B

y la de la derecha es B.A?


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2.8 GRAFCET• c) Divergencia en Y

1

2 3

A

Las etapas 2 y 3 se activarán simultáneamente cuando la transición A esté en estado 1 (se cumple la condición

de transición).


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2.8 GRAFCET• d) Convergencia en Y

3

1 2

A

La etapa 3 se activa si etapas 1 y 2 y la transición están en 1


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2.8 GRAFCET• e) Salto condicional

1

2

3

A

B

_A

Si etapa 1 está en estado 1y la transición A también,se pasa a la etapa 2.Si etapa 1 está en 1, pero latransición A está en estado cero se salta directamentea la etapa 3.


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2.8 GRAFCET• f) Bucle condicional

1

2

3

A

B

_B

La etapa 2 se repetirá hasta que la transición

B se ponga en estado 1.


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2.9 Lenguajes de alto nivel

• Los PLC de gamas altas resuelven aplicaciones mas complejas, para lo cual se utilizan lenguajes de alto nivel.

• Sus principales características:– Son estructurados, lo que permite la programación por

procedimientos con variables locales o globales.– Incluyen estructuras de cálculo repetitivo y condicional:

• FOR ... TO• REPEAT ... UNTIL X• IF ... THEN ... ELSE

– Disponen de instrucciones de manipulación de cadenas de caracteres.


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2.10 Bloques funcionales

• Permiten aumentar la potencia de cálculo del PLC y simplifican la programación. Se pueden programar dentro de un diagrama de contactos, en una lista de instrucciones o en lenguaje de alto nivel.

• Se clasifican en dos grupos:– Bloques secuenciales básicos: biestables,

temporizadores, contadores, registros de desplazamiento.– Bloques de expansión: Permiten manipular variables

numéricas y registros de datos, con instrucciones aritméticas de comparación, transferencias,etc.

• A estos bloques se les debe fijar las condiciones de operación, los operandos de función y las salidas asociadas.


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Contador Temporizador


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MOVxxxxyyyy

CMP xxxyyy

Transferencia de datos Comparación


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2.11 Ventajas del uso del PLC

• Menor tiempo de elaboración de proyectos.• Posibilidad de añadir modificaciones sin costo añadido en

otros componentes.• Mínimo espacio de ocupación.• Mantenimiento económico.• Posibilidad de gobernar varias máquinas con el mismo PLC.• Menor tiempo en puesta de funcionamiento.• Permite realizar diagnóstico de fallas.• Si el PLC queda pequeño para el proceso industrial puede

seguir siendo de utilidad en otras máquinas o sistemas de producción.

• Menor costo de mano de obra.


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2.12 Elaboración de proyectos con PLC

• Anteproyecto– Estudio del proceso o máquina a controlar.– Especificación de los actuadores.– Especificación de la parte de control o mando.– Diagrama de flujo o GRAFCET del proceso.– Prever condiciones de funcionamiento (cargas, condiciones

del entorno, ampliaciones,etc).– Prever las formas de marcha y paro tanto en

funcionamiento normal como en caso de fallas.

• Proyecto de la parte operativa– Elección de actuadores.– Proyecto de enlace del proceso con otras partes

relacionadas.


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2.12 Elaboración de proyectos con PLC

• Proyecto de la parte de control o mando– Diagrama de detalle del proceso con los actuadores.– Elección de los sensores y elementos de mando para el

operador.– Proyecto de las seguridades.– Estudio de necesidades de comunicación con otros

controladores y con el operador.– Elección de sensores, bloques de control y drivers para los

actuadores.– Determinación del número y tipo de E/S.– ELECCION DEL PLC.– Asignación de entradas y salidas a sensores y actuadores.– Esbozo del programa.– Elaboración de documentación para la instalación.


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APLICACIÓN: MOVIMIENTO DE UN MÓVIL

Un móvil se encuentra situado en el final de carrera F1.Al pulsar M el móvil se desplaza hacia la derecha. Cuandollega al final de carrera F2, invierte su movimiento y se des-plaza hacia la izquierda, hasta llegar a F1, donde permaneceráen reposo hasta nueva orden de M. Si por cualquier causa el móvil no estuviese en F1, al pulsar M no arrancará.

F1 F2MD: Contactor que acciona al motor para movimiento a la derecha.MI: Contactor que acciona al motor para movimiento a la izquierda.


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Solución 1

0

1

2

Marcha

Fin de mov. a la derecha

Fin de mov. a la izquierda

Mov. a la derecha

Mov. a la izquierda

GRAFCET nivel 1

Reposo


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Solución 1

Etapas

1:Reposo M64.0

2:Derecha M64.1

3:Izquierda M64.2

Entradas

M : marcha E0.1

F2: F.c.der. E0.2

F1: F.c.izq. E0.3

Asignación de variables

Salidas

MD: motor der. A1.1

MI: motor izq. A1.2


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Solución 1

0

1

2

M.F1

F2

F1

MD MI

GRAFCET nivel 2

MI

MD


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Solución 1

Inicialización:

1

S

R

R

E0.7

Condición de transición de E0 a E1:

2

SM64.0 E0.1 E0.3 M64.1

El GRAFCET también puede ser implementado con lenguaje deContactos:

M64.0

M64.1

M64.2

M64.0R


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Solución 1


3

SM64.1 E0.2 M64.2

M64.1R


4 S

M64.2 E0.3 M64.0

M64.2R


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Solución 1

Acciones de las etapas:

S

M64.1A1.1

R

M64.2A1.1

SA1.2

R

M64.0A1.2

5

6

7


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Solución 2

Step 0M0.0

Step 1M0.1

Step 2M0.2

0

M.F1

F2

F1

NS* Mov. a la derecha

NS* Mov. a la izquierda

NS: Nonlatching command

Gráfico alternativo


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Solución 2

Implementación mediante diagrama de contactos

a) Transiciones:

S

R

S

R

E0.7M0.2 E0.3

M0.1

M0.0

M0.0 E0.1 E0.3

M0.2

M0.1


50

Solución 2

S

R

M0.1 E0.2

M0.0

b) Acciones

M0.2

M0.1 A1.1

M0.2 A1.2

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