Estructura de un PLC

Los PLC se componen básicamente de tres secciones:

Sección de Entrada , Sección de Salida y Sección Lógica de Control.

Entradas y Salidas

Las entradas y salidas son los elementos del PLC que lo vinculan al campo. En el caso de las entradas, adaptan las señales de sensores para que la CPU las reconozca. En el caso de las salidas, activan un circuito de conexión (transistor, triac o relé) ante una orden de la CPU.

La clasificación de las entradas y salidas son las siguientes:

Discretas: También llamadas digitales, lógicas, binarias u on/off, pueden tomar solo dos estados. La denominación digital es más común que la de discreta, aún cuando es incorrecta, ya que todas las funciones de un PLC, incluidas las E/S son digitales.

Analógicas: Pueden tomar una cantidad de valores intermedios dentro de un cierto límite, dependiendo de su resolución. Por ejemplo 0 a 10 Vcc, 4 a 20 mAcc, etc.

Especiales: Son variantes de las analógicas, como las entradas de pulsos de alta velocidad, termocuplas, RTDs, etc.

Inteligentes: Son módulos con procesador propio y un alto grado de flexibilidad para su programación. Durante su operación intercambian datos con la CPU.

Entradas discretas

Los fabricantes ofrecen una gran cantidad de alternativas para estos módulos. Así es que se puede optar por módulos con distinta cantidad de entradas y para distintas tensiones; las más comunes son: 24 Vcc, 24 Vca, TTL (5 Vcc), 110 Vca, 220 Vca, etc.

La estructura típica de una entrada discreta puede separarse en varios bloques por donde pasará la señal, hasta convertirse en un 0 ó un 1 para la CPU .

Estos bloques son:

Rectificador: En el caso de una entrada de corriente alterna, convierte la señal en continua. En el caso de una señal de corriente continua, limita o impide daños por inversión de polaridad.

Acondicionador de señal: Elimina ruidos eléctricos, detecta los niveles de señal para los que conmuta el estado lógico (umbral en on/off) y lleva la tensión al nivel manejado por la CPU.

Indicador de estado: En general se dispone de un indicador luminoso por canal, que está encendido mientras exista tensión en la entrada, y apaga do en caso contrario. Un indicador adicional señala el correcto funcionamiento de la tarjeta permaneciendo encendido si tanto la tarjeta como su comunicación con la CPU no presentan fallas.

Aislación: Las entradas de la mayor parte de los PLCs son optoaisladas para que, en caso de sobretensiones externas el daño causado no afecte más que ese punto, sin perjudicar el resto de la tarjeta ni propagarse al resto del PLC.

Circuito lógico de entrada: Es el encargado de informar a la CPU el estado de la entrada cuando ésta la interrogue.

El paso de la señal por todos estos bloques insume un tiempo que se conoce como tiempo de respuesta de la entrada. Este tiempo (y el del barrido, que se verá más adelante) debe tenerse en cuenta en el diseño del sistema. Un aspecto a analizar es el mínimo tiempo de permanencia o ausencia de una señal requerido para que el PLC la interprete como un 0 ó un 1. Si una variable de proceso pasa al estado lógico 1, y retorna al estado 0 en un tiempo inferior al tiempo de respuesta de la entrada, es posible que el PLC no llegue a leerla. Por ejemplo, si una tarjeta tuviera un tiempo de respuesta de 10 mseg, no será capaz de identificar con certeza una señal que presentó un pulso de menos de 10 mseg. Para aquellos casos en que se produzca esta situación, se requieren tarjetas con capacidad de retención, en las que el estado lógico es sostenido por un período mayor que la duración del pulso de señal.

Como referencia, podemos indicar que el tiempo de respuesta en la lectura de un contacto que se abre puede no ser el mismo que el tiempo de respuesta en la lectura de un contacto que se cierra. En general, el tiempo de respuesta de una tarjeta de entradas discretas no es superior a los 20 mseg, pudiendo ser de unos pocos milisegundos.

Salidas discretas


La estructura típica de una salida discreta es la siguiente :



















Circuito lógico de salida: Es el receptor de la información enviada por la CPU.

Aislación: Cumple una función análoga a la de la aislación de una tarjeta de entradas discretas.

Indicador de estado: Generalmente se utiliza un indicador de estado por canal, que se enciende cuando la salida está cerrada, y se apaga cuando está abierta. Un indicador adicional señala el correcto funcionamiento de la tarjeta, permaneciendo encendido si tanto la tarjeta como su comunicación con la CPU no presentan fallas.

Circuito de conexión: Es el elemento de salida a campo, que maneja la carga conectada por el usuario. Como veremos luego, se dispone de tres opciones de circuito de conexión: transistor, triac y relé.

Protección: Puede consistir en un fusible en serie con los contactos de salida, una protección electrónica por sobrecarga, o circuitos RC (resistivos-capacitivos) para eliminar picos generados por la natu­raleza de la carga, en caso deque ésta sea inductiva y la alimentación sea en corriente continua.

Las alternativas de selección para el circuito de conexión son tres:

Salidas por relé, Triac, Transistor

Las salidas de relé pueden utilizarse para cargas en corriente alterna o continua, las de transistor en corriente continua, y las de triacsolo para corriente alterna. En todos los casos debe verificarse si la potencia a manejar es compatible con el circuito de conexión seleccionado.

Entradas Analógicas

El PLC fue originalmente diseñado para el control de estados lógicos (si-no), y es un equipo de tecnología digital. Por lo tanto la única manera que tiene de trabajar con valores analógicos es que éstos se representen internamente por medio de números en formato binario. La principal tarea de una tarjeta de entrada analógica es precisamente la de convertir un valor analógico en un número en formato binario, por medio de un conversor A/D. La siguiente figura muestra el esquema de un conversor A/D :

 

. Esquema de un conversor Análogo/Digital (A/D)

Generalmente, el conversor A/D se especifica indicando su resolución en bits, expresando así el menor cambio de tensión que tiene capacidad de distinguir. La exactitud de la tarjeta debe ser especificada por separado, normalmente como porcentaje del alcance. La exactitud de una tarjeta es peor que la resolución del conversor A/D utilizado, debido a los demás componentes que la integran, y a inexactitudes del propio conversor. Por ejemplo, una tarjeta puede utilizar un conversor A/D de 16 bits, pero ser exacto tan sólo hasta los 12 bits.

El componente más caro de una entrada analógica es el conversor A/D, y éste resulta más caro cuanto mayor resolución tiene. Por ello, los PLCs más pequeños utilizan conversores de 8 bits (más económicos), mientras los medianos y más grandes utilizan conversores de 10 hasta 16 bits.

Una forma de disminuir costos consiste en utilizar un solo conversor A/D que convierte todas las señales de entrada del módulo, una por vez, y las almacena en una memoria temporaria (buffer) alojada en el mismo módulo, desde donde la CPU lee los valores. Para ello se requiere un circuito que seleccione un canal por vez, enviando su señal al conversor A/D. Este circuito se denomina multiplexor.

En resumen, en la estructura de una entrada analógica podemos distinguir las siguientes partes básicas:

                                                  Diagrama de bloques de una entrada

Protección: Impide daños al módulo y al resto del PLC por conexión con polaridad invertida o fuera del rango permitido.

Filtro analógico: Elimina posibles ruidos que ingresen por la instalación. Básicamente consiste en un filtro pasabajos, que permite que las señales de baja frecuencia lleguen al conversor A/D, evitando el paso de las señales de alta frecuencia. Este filtro es necesario, ya que ea caso contrario podrían aparecer señales de alta frecuencia enmascaradas como señales de baja frecuencia

Multiplexado: Esta etapa consiste en un selector que envía un canal de entrada por vez al conversor A/D.

Conversor A/D: Es el encargado de transformar la señal analógica ea un número binario interpretable por la CPU.

Aislación: En algunos equipos se dispone de optoaisladores luego del conversor A/D, para separar la CPU del campo.

Buffer: Memoria donde se almacenan los valores que provienen del conversor, mientras éste opera sobre los demás canales. Aquí es donde la CPU lee los valores numéricos convertidos.

Entradas y Salidas Especiales:

Dentro del sistema de E/S de un PLC se pueden instalar módulos dedicados a tareas especiales que no pueden ser resueltas eficientemente por la CPU.

Así es que podemos encontrar algunos módulos denominados especiales, como los siguientes:

Entradas de termocupla: Incluye un microprocesador para linealización de la señal de entrada, y una junta fría para compensación.

Entradas de RTD: Incluye un microprocesador para linealización de la entrada.

Entrada de pulsos de alta velocidad: El tiempo que le insume a la CPU resolver el programa del usuario hace que ésta no pueda leer pulsos de alta velocidad. Estos módulos poseen un procesador dedicado a esta función y pueden dar señales al campo y a la CPU al alcanzar valores prefijados. Las frecuen­cias que pueden leer van hasta más de 100 kHz y sirven para conectar encoders, caudalímetros a turbina,etc. En muchos casos, la entrada puede discriminar el sentido de giro efectuar conteos ascendentes y descendentes. Generalmente, este módulo cuenta con algunas entradas de pulsos, entradas discretas para la habilitación y vuelta a cero del contador (reset), y salidas discretas comandadas por este módulo, accionadas cuando el total alcanza un valor prefijado.


Módulos Inteligentes

Con el objeto de descargar a la CPU de tareas que le insumen un tiempo que no es aceptable, o para las que ésta no está preparada, se dispone de módulos inteligentes. Algunos de estos módulos cuentan con sus propias E/S, mientras que otros aprovechan la estructura de E/S que ofrece el PLC. Una característica de estos módulos es que su funcionamiento es independiente de la CPU, por lo que, en caso de falla de ésta, los módulos siguen operando.

Los módulos inteligentes poseen un procesador propio que funciona en forma asincrónica con el de la CPU. Ambos procesadores intercambian datos a través de la capacidad del módulo inteligente de leer y escribir ciertas posiciones de la memoria de la CPU principal. En algunos casos, la cantidad de datos que un módulo inteligente puede intercambiar con la CPU principal está limitada por el diseño del módulo.

Algunos de estos módulos inteligentes son:

Módulo BASIC: Programable en lenguaje BASIC, posee uno o varios ports de comunicación RS232 ó RS422. Se puede utilizar para resolver ecuaciones complejas, para estadística, para adquisición de datos, como ingreso de datos desde lectores de código de barras, para ingreso de datos manuales, para almacenamiento de recetas, impresión de reportes, etc. También se utilizan para la Implementaciòn de protocolos de comunicaciones que permiten la comunicación del PLC con otros equipos digitales. Esta aplicación es útil en aquellos casos en que el PLC no disponga en forma estándar del software de comunicaciones requerido, resultando una Implementaciòn razonable­mente económica. En estos casos se programa el protocolo en este módulo utilizando el lenguaje BASIC. En general, el módulo no cuenta con canales de E/S propios, excepto los ports de comunicaciones. Por otra parte, en algunos casos incluye un modem o módem-fax para comunicarse con otros equipos digitales remotos.


Módulo PID: Este módulo resuelve uno o varios lazos PID en forma separada de la CPU principal. La configuración de los lazos se efectúa desde la CPU principal, o directamente a través de un port RS232 ó RS422 que el módulo posee. A este port se conecta una PC con el software adecuado, permitiendo la configuración con indepen­dencia de la CPU principal. Este módulo descarga a la CPU principal del cálculo del algoritmo PID, que insume un tiempo importante, haciendo más lento el tiempo de barrido de la CPU. Adicionalmente, la distribución de varios lazos PID en varios módulos disminuye la posibilidad de falla de varios lazos. Algunos módulos cuentan con canales de E/S analógicos y discretos propios, haciéndolo totalmente independiente del resto del PLC. Otros módulos PID utilizan la estructura de E/S del PLC.

Módulo ASCII: Almacena mensajes que pueden emitirse a través de sus ports de comunicaciones por orden del programa de la CPU principal. Ante determinados eventos como alarmas o simplemente a requerimiento del usuario, el programa de la CPU principal le ordena a este módulo emitir uno de los mensajes prealmacenados en su memoria. Estos mensajes pueden contener texto fijo, datos variables tomados de la memoria de la CPU, hora y fecha, etc., y pueden emitirse en displays alfanuméricos, impresoras, terminales, etc.

Módulo de posicionamiento: Es una combinación de un módulo contador de alta velocidad con salida para motores. Se utilizan para resolver lazos de posicionamiento en aplicaciones de control numérico o robótica.

Módulo Computador Integrado: Son verdaderas computadoras, con teclado, pan­talla, impresoras, conexión en red y almacenamiento masivo (ya sea en los clásicos discos rígidos, o en discos RAM que emulan un disco rígido utilizando memoria RAM).