Controladores Lógicos Programables (PLC)

Un PLC (Programmable Logic Controller) es un dispositivo electrónico diseñado para controlar procesos industriales secuenciales en tiempo real. Antiguamente, el control de procesos se realizaba a través de relés, lo que implicaba sistemas complejos, difíciles de instalar, mantener y con una detección de errores complicada.

Ventajas y Desventajas

Ventajas:

• Menor tamaño.
• Mayor confiabilidad.
• Fácil de programar e instalar.
• No es necesario detener el proceso para realizar modificaciones.
• Capacidad para trabajar en ambientes peligrosos.
• Posibilidad de control remoto.

Desventajas:

• Costo inicial.
• Necesidad de capacitación del usuario.

Estructura Interna de un PLC

• CPU: Basada en un microcontrolador, ejecuta el programa, transfiere datos entre entradas y salidas, y gestiona la comunicación con periféricos.
• Memoria:
  • Usuario: RAM con batería, almacena el programa del usuario.
  • Datos: RAM, guarda la imagen de los estados de las entradas y salidas, datos numéricos y variables internas (contadores, temporizadores, marcas, etc.).
  • Programa: RAM (memoria del sistema), ROM o EPROM (programa del sistema o firmware).
• Interfaz de Entrada/Salida:
  • Por tipo: Analógicas y digitales.
  • Por tensión de alimentación: CC (24-110V), CC a colector abierto (PNP, NPN), CA (60-110-220V), salidas por relé (libres de tensión).
  • Por aislamiento: Separación galvánica (optoacopladas), acoplamiento directo.

Ciclo de Funcionamiento (Scan)

1. Lectura de entradas.
2. Ejecución del programa.
3. Diagnóstico.
4. Actualización de salidas.

El tiempo de scan (scan time) depende de:

• Cantidad de entradas y salidas afectadas.
• Longitud del programa de usuario (ms/K).
• Número y tipo de periféricos conectados al PLC.

Acceso a Memoria

Un PLC almacena información en diferentes áreas de memoria con direcciones unívocas. Para acceder a un bit en un área de memoria, se debe indicar su dirección, la cual está formada por un identificador de área:

• I: Entrada.
• Q: Salida.
• V: Variable intermedia.
• M: Marca.
• S: Relé de control secuencial.
• SM: Marcas especiales.
• L: Memoria local.
• T: Temporizadores.
• C: Contadores.
• AI: Entradas analógicas.
• AQ: Salidas analógicas.
• AC: Acumuladores.
• HC: Contadores rápidos.

Para acceder a un bit, se necesita:

• La dirección del byte.
• El número de bit.
• Tamaño:
  • B (Byte): Valor de 8 bits.
  • W (Palabra): Valor de 16 bits.
  • D (Palabra doble): Valor de 32 bits.

Lenguajes de Programación

Clasificación:

• Algebraicos: Lenguaje booleano, lista de instrucciones (Siemens: AWL), lenguaje de alto nivel.
• Gráficos: Diagrama de contactos (Siemens: KOP), diagramas de bloques, GRAFCET.

Programación Ladder

Se implementan funciones booleanas. La representación visual simula el comportamiento de un circuito eléctrico, donde la corriente fluye de izquierda a derecha. Los interruptores en el camino, dependiendo de si están abiertos o cerrados, permiten «encender» una carga (por ejemplo, una ampolleta) al lado derecho del circuito.

Direccionamiento

Entradas (I):

• Formato de bit: I(dirección del byte).(dirección del bit). Ejemplo: I0.1
• Formato de byte, palabra, palabra doble: I(tamaño)(dirección del byte inicial). Ejemplo: IB4

Salidas (Q):

Mismo formato que las entradas, pero con la letra Q.

Variables (V):

• Formato de bit: V(dirección del byte).(dirección del bit). Ejemplo: V10.2
• Formato de byte, palabra, palabra doble: V(tamaño)(dirección del byte inicial). Ejemplo: VW100

Marcas (M):

Mismo formato que las variables, pero con la letra M.

Controladores PID

Controlador Integral

Este controlador hace que el elemento final de control se mueva a una velocidad proporcional a la señal de error. Mientras mayor sea el error, mayor será la velocidad de desplazamiento de la válvula. Mientras exista error, existirá una acción correctora. Esta acción responde a la magnitud y duración de la desviación. Desventaja: Poca energía al inicio de la perturbación.

Ecuaciones:

du(t)/dt = Ke(t)

u(t) = K∫e(t)dt

Controlador Proporcional-Integral (PI)

Este controlador combina las ventajas del controlador proporcional y del integral. Al ocurrir una perturbación, la acción proporcional permite un cambio inmediato en la salida, mientras que la acción integral proporciona gradualmente la corrección suplementaria exacta hasta eliminar el error.

Ecuación:

u(t) = Kpe(t) + Kp/Ti ∫e(t)dt

Controlador Proporcional-Derivativo (PD)

En este controlador, la acción derivativa actúa en función de la velocidad de cambio de la variable, es decir, la pendiente (derivada). Este tipo de control no considera la magnitud de la variación, solo su tendencia. No es sensible a desviaciones constantes (pendiente 0).

Ecuación:

u(t) = Kpe(t) + KpTd de(t)/dt

(*Td: tiempo derivativo, intervalo de tiempo en el que la respuesta va anticipada, para un cambio en la desviación en forma de rampa)

Controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID)

Este controlador aprovecha las ventajas de las tres acciones:

• Proporcional: Actúa de forma instantánea y enérgica, pero puede presentar error permanente.
• Integral: Actúa a una velocidad proporcional al error. Es de efecto lento, pero actúa hasta eliminar el error.
• Derivativa: Actúa de forma proporcional a la velocidad de cambio del error. Es anticipativa, ya que considera la tendencia de la variable controlada.

Ecuación:

y(t) = G(e + 1/Ti ∫e dt + Td de/dt + K)

(*Ti: tiempo integral, Td: tiempo derivativo, G: ganancia, K: estado inicial del actuador)

Función de Transferencia

Y/E = G(1 + 1/Tis + Tds)