Al diseñar un sistema de Controlador Lógico Programable (PLC), el primer paso es definir la estrategia de control; el paso siguiente implica la selección de ingeniería del hardware PLC específico. Las características del flujo del proceso y los requisitos específicos de la aplicación sirven como base principal para este proceso de selección. El PLC y sus equipos asociados deben integrarse y estandarizarse, seleccionados de acuerdo con los principios de integración perfecta en el sistema de control industrial general y facilidad de expansión funcional. El sistema PLC elegido debe ser una solución madura y confiable con un historial comprobado de operación exitosa dentro del sector industrial relevante. Además, la configuración del hardware, las capacidades del software y las características funcionales del sistema deben adaptarse adecuadamente a la escala de la instalación y a los requisitos de control específicos. La familiaridad con los PLC, los diagramas de funciones y los lenguajes de programación relevantes ayuda a reducir significativamente el tiempo de programación. Por lo tanto, durante las fases de selección y estimación de ingeniería, es fundamental realizar un análisis detallado de las características del proceso y los requisitos de control; esto implica definir claramente las tareas y alcances del control, e identificar las operaciones y acciones necesarias. Posteriormente,-basándose en estos requisitos de control-se puede estimar el número requerido de puntos de entrada/salida (E/S) y la capacidad de memoria, y determinar las funciones PLC necesarias y las especificaciones de dispositivos externos. Finalmente, el objetivo es seleccionar un PLC que ofrezca una relación precio-rendimiento superior y diseñar el sistema de control correspondiente.
Estimación del punto de E/S
Al estimar el número de puntos de E/S, es fundamental incorporar un margen adecuado. Normalmente, el recuento de E/S estimado se obtiene tomando el número de puntos requeridos calculado estadísticamente y agregando un margen de expansión del 10% al 20%. Al realizar el pedido real, puede ser necesario redondear el recuento de E/S estimado para alinearlo con las especificaciones específicas del producto y las configuraciones de módulos ofrecidas por el fabricante del PLC.
Capacidad de memoria
"Capacidad de memoria" se refiere al tamaño total de las unidades de almacenamiento de hardware proporcionadas por el propio PLC, mientras que "capacidad de programa" se refiere a la porción específica de esa memoria utilizada por el programa de aplicación del usuario. En consecuencia, la capacidad del programa es siempre menor o igual a la capacidad total de la memoria. Durante la fase de diseño, dado que el programa de aplicación del usuario aún no se ha escrito, la capacidad exacta del programa sigue siendo desconocida y sólo se puede determinar después de que el programa se haya depurado por completo. Para facilitar el proceso de selección al proporcionar una estimación razonable del almacenamiento requerido, la capacidad total de memoria generalmente se utiliza como indicador de la capacidad del programa durante la fase de diseño. No existe una fórmula fija para estimar la capacidad de memoria requerida; Si bien aparecen varias fórmulas en la literatura, generalmente siguen un enfoque común: calcular de 10 a 15 veces el número de puntos de E/S digitales, sumar 100 veces el número de puntos de E/S analógicos y utilizar esta suma como el recuento total de palabras (donde una palabra equivale a 16 bits) para la memoria. Adicionalmente se deberá considerar un margen de seguridad equivalente al 25% de este valor calculado.
Selección de funciones de control
Este proceso de selección implica elegir características específicas como funciones aritméticas, funciones de control, capacidades de comunicación, funciones de programación, herramientas de diagnóstico y velocidad de procesamiento.
1. Funciones aritméticas
Las funciones aritméticas de los controladores lógicos programables (PLC) simples suelen incluir operaciones lógicas básicas, temporización y funciones de conteo. Los PLC estándar amplían esto para incluir operaciones como el desplazamiento y la comparación de datos. Las capacidades aritméticas más complejas abarcan operaciones algebraicas y funciones de transferencia de datos. Los PLC-de gran escala incorporan además algoritmos de control PID analógicos y otras funciones matemáticas avanzadas. Con la llegada de los sistemas abiertos, los PLC modernos están universalmente equipados con capacidades de comunicación; productos específicos pueden ofrecer comunicación con dispositivos de nivel-inferior, comunicación entre pares-to-con otros PLC, comunicación con sistemas host de nivel-superior o capacidades de intercambio de datos con redes empresariales o de toda la planta-. Al seleccionar un modelo durante la fase de diseño, se debe basar la elección en los requisitos específicos de la aplicación real, seleccionando sólo aquellas funciones aritméticas que sean realmente necesarias. En la mayoría de los escenarios de aplicación, las operaciones lógicas básicas, las funciones de temporización y conteo son suficientes; algunas aplicaciones pueden requerir capacidades de transferencia y comparación de datos; mientras que las operaciones algebraicas, las conversiones numéricas y los algoritmos de control PID suelen reservarse para aplicaciones que implican detección y control de señales analógicas. Se requieren operaciones como decodificación y codificación cuando se necesitan capacidades de visualización de datos.
2. Funciones de control
Las funciones de control abarcan algoritmos como el control PID, la compensación anticipada-y el control de proporción; Las funciones específicas seleccionadas deben determinarse en función de los requisitos de control precisos de la aplicación. Dado que los PLC están diseñados principalmente para control lógico secuencial, las tareas de control analógico en la mayoría de los escenarios generalmente se manejan mediante controladores dedicados de bucle único- o de bucle múltiple-. Alternativamente, a veces se emplean módulos de E/S inteligentes especializados para ejecutar funciones de control específicas-una estrategia que sirve para mejorar la velocidad de procesamiento general del PLC y conservar la capacidad de la memoria interna. Ejemplos de estos módulos especializados incluyen unidades de control PID, contadores de alta-velocidad, módulos de entradas analógicas con compensación de velocidad y unidades de conversión ASCII.
3. Funciones de comunicación
Los sistemas PLC de mediana-a-gran-escala deben admitir una variedad de buses de campo y protocolos de comunicación estándar (como TCP/IP). Además, cuando la aplicación lo requiera, estos sistemas deberán ser capaces de establecer conexiones con la red de gestión de la planta (vía TCP/IP). Los protocolos de comunicación cumplirán con los estándares de comunicación ISO/IEEE y constituirán una red de comunicación abierta.
Las interfaces de comunicación del sistema de controlador lógico programable (PLC) incluirán interfaces de comunicación serie y paralela, puertos de comunicación RIO, interfaces DCS comunes y similares. Para sistemas PLC de mediana-a-gran-escala, los buses de comunicación (incluidos los dispositivos y cables de interfaz) se configurarán con redundancia 1:1; Estos buses de comunicación deberán cumplir con los estándares internacionales y su alcance de comunicación deberá cumplir con los requisitos reales de la instalación específica.
Dentro de la red de comunicación del sistema PLC, la velocidad de comunicación de la red de nivel-superior deberá exceder 1 Mbps y la carga de comunicación no deberá exceder el 60 %. Las principales formas de redes de comunicación para sistemas PLC son las siguientes:
1) Una PC actúa como estación maestra, mientras que varios PLC del mismo modelo actúan como estaciones esclavas, formando una red PLC simple;
2) Un único PLC actúa como estación maestra, mientras que otros PLC del mismo modelo actúan como estaciones esclavas, formando una red de PLC maestro-esclavo;
3) La red PLC se conecta a un DCS de gran-escala a través de una interfaz de red específica, que funciona como una subred del DCS;
4) Una red PLC patentada (una red de comunicación específica para los productos PLC de un fabricante en particular).
Para aliviar la carga de trabajo de comunicación en la CPU-y en función de los requisitos reales de la configuración de red-se deben seleccionar procesadores de comunicación equipados con diversas capacidades de comunicación (por ejemplo, punto-a-punto, bus de campo).
4. Funciones de programación
Modo de programación fuera de línea: en este modo, el PLC y el dispositivo de programación comparten una única CPU. Cuando el dispositivo de programación está en "modo de programación", la CPU dedica sus servicios únicamente al dispositivo de programación y no controla los dispositivos de campo. Una vez que se completa la programación, el dispositivo de programación cambia al "modo de ejecución", momento en el cual la CPU reanuda el control de los dispositivos de campo y no se pueden realizar operaciones de programación. El modo de programación fuera de línea puede reducir los costos del sistema, aunque puede resultar menos conveniente para el uso y la depuración. Modo de programación en línea: en este modo, la CPU y el dispositivo de programación poseen cada uno sus propias CPU dedicadas. La CPU principal es responsable de las operaciones de control de campo e intercambia datos con el dispositivo de programación dentro de un único ciclo de exploración; el dispositivo de programación transmite los datos del programa recién creado o modificado a la CPU principal y, en el ciclo de exploración posterior, la CPU principal ejecuta la lógica del sistema basándose en el programa recién recibido. Si bien este modo implica costos más altos, ofrece una mayor comodidad para la depuración y operación del sistema, y se adopta con frecuencia en sistemas PLC de escala media-a-grande-. Hay cinco lenguajes de programación estandarizados: tres lenguajes gráficos-diagramas de funciones secuenciales (SFC), diagramas de escalera (LD) y diagramas de bloques de funciones (FBD)-y dos lenguajes-basados en texto-listas de instrucciones (IL) y texto estructurado (ST). El lenguaje de programación seleccionado debe cumplir con el estándar correspondiente (IEC 61131-3); además, debe admitir varias formas de programación alternativas, como C, Basic, etc., para cumplir con los requisitos de control específicos de aplicaciones especializadas.
5. Funciones de diagnóstico
Las capacidades de diagnóstico de un controlador lógico programable (PLC) abarcan diagnósticos de hardware y software. Los diagnósticos de hardware utilizan lógica basada en hardware-para identificar la ubicación de fallas de hardware, mientras que los diagnósticos de software se clasifican en diagnósticos internos y externos. Los diagnósticos internos implican el uso de software para evaluar el rendimiento y la funcionalidad internos del PLC; Los diagnósticos externos implican el uso de software para evaluar las capacidades de intercambio de datos entre la CPU del PLC y los componentes externos, como los módulos de entrada/salida (E/S).
La robustez de las funciones de diagnóstico de un PLC influye directamente en la competencia técnica requerida del personal de operación y mantenimiento, así como en el tiempo medio de reparación (MTTR).
6. Velocidad de procesamiento
Los controladores lógicos programables funcionan mediante un mecanismo basado en-escaneo. Desde la perspectiva de los requisitos de rendimiento en tiempo real-, la velocidad de procesamiento debe ser lo más rápida posible; Si la duración de una señal de entrada es más corta que el tiempo de exploración del PLC, es posible que el controlador no detecte la señal, lo que provocará la pérdida de datos.
La velocidad de procesamiento está influenciada por factores como la duración del programa de usuario, la potencia de procesamiento de la CPU y la calidad del software. Los PLC presentan tiempos de respuesta de contacto rápidos y altas velocidades operativas, y el tiempo de ejecución de cada instrucción binaria suele oscilar entre 0,2 y 0,4 microsegundos (μs); en consecuencia, son muy-adecuados para aplicaciones que exigen un control estricto y capacidades de respuesta rápida. El ciclo de exploración (tiempo de exploración del procesador) debe cumplir los siguientes criterios: para PLC-de pequeña escala, el tiempo de exploración no debe exceder los 0,5 ms por 1000 instrucciones (0,5 ms/K); para PLC de mediana-a-gran-escala, el tiempo de escaneo no debe exceder los 0,2 ms por 1000 instrucciones (0,2 ms/K).
Tipos de controlador
Según su estructura física, los PLC se clasifican en términos generales en dos categorías: tipos integrales (monobloque) y tipos modulares. Según su entorno operativo, se clasifican en dos categorías: unidades montadas en campo-y unidades montadas en sala-de control-. Además, según la longitud de la palabra de la CPU, se clasifican en sistemas de 1-bit, 4-bit, 8-bit, 16-bit, 32-bit y 64-bit. Desde una perspectiva orientada a la aplicación, los PLC generalmente se seleccionan en función de sus funciones de control específicas o del número requerido de puntos de entrada/salida. Los controladores lógicos programables (PLC) de tipo integrado- cuentan con un número fijo de puntos de E/S; en consecuencia, los usuarios tienen una flexibilidad limitada en su selección, lo que los hace adecuados para sistemas de control de pequeña escala. Los PLC de tipo modular, por el contrario, ofrecen una amplia variedad de tarjetas de E/S o módulos enchufables, lo que permite a los usuarios seleccionar y configurar racionalmente el número específico de puntos de E/S necesarios para sus sistemas de control. Esta modularidad facilita una expansión funcional conveniente y flexible, lo que los hace generalmente adecuados para sistemas de control de mediana y gran escala.
Tipos de entrada/salida
Señales discretas (cantidades de conmutación): se refieren principalmente a entradas y salidas discretas-específicamente, los contactos auxiliares asociados con varios dispositivos. Los ejemplos incluyen los contactos auxiliares de un relé dentro del controlador de temperatura de un transformador (que cambian de estado cuando el transformador se sobrecalienta), los contactos auxiliares del interruptor de leva de una válvula (que cambian de estado cuando la válvula se abre o cierra), los contactos auxiliares de un contactor (que cambian de estado cuando el contactor actúa) y los contactos auxiliares de un relé de sobrecarga térmica (que cambian de estado cuando el relé se dispara). Estas señales normalmente se transmiten a un PLC o a un dispositivo de protección integral. La alimentación de estos contactos generalmente la proporciona el propio PLC o dispositivo de protección; dado que los contactos no poseen su propia fuente de alimentación interna, se les denomina "contactos pasivos" (o "contactos secos") y se clasifican como entradas discretas dentro del contexto del PLC o dispositivo de protección.
1. Cantidades digitales
Las cantidades físicas que son discretas-tanto en términos de tiempo como de magnitud-se denominan cantidades digitales. Las señales que representan estas cantidades digitales se denominan señales digitales. Los circuitos electrónicos diseñados para funcionar mediante señales digitales se conocen como circuitos digitales.
Por ejemplo: cuando se utiliza un circuito electrónico para contar el número de piezas producidas en una línea de producción automatizada, se envía una señal al circuito por cada pieza entregada, lo que hace que registre un recuento de "1". Por el contrario, cuando no se entregan piezas, la señal aplicada al circuito es "0". Por lo tanto, la señal que representa el número de partes es discontinua-tanto temporal como cuantitativamente-lo que la convierte en una señal digital. La unidad de cantidad más pequeña en este contexto es una sola unidad (1).
2. Cantidades analógicas
Las cantidades físicas que son continuas-ya sea en términos de tiempo o magnitud-se denominan cantidades analógicas. Las señales que representan estas cantidades analógicas se denominan señales analógicas. Los circuitos electrónicos diseñados para funcionar mediante señales analógicas se conocen como circuitos analógicos.
Por ejemplo: la señal de voltaje emitida por un termopar durante el funcionamiento es una señal analógica. Dado que la temperatura que se mide no puede sufrir saltos instantáneos y abruptos bajo ninguna circunstancia, la señal de voltaje resultante es continua-tanto temporal como cuantitativamente. Además, cada valor específico tomado por esta señal de voltaje durante su proceso de variación continua tiene un significado físico concreto-es decir, corresponde a una lectura de temperatura específica. Principios de conversión
1. Un convertidor digital-a-analógico (DAC) es un sistema que convierte señales digitales en señales analógicas; Esto normalmente se logra mediante un filtrado de paso bajo-. La señal digital primero se decodifica-es decir, los códigos digitales se convierten en los niveles de voltaje correspondientes para formar una señal-en forma de escalera-después de lo cual se somete a un filtrado de paso bajo-.
Según la teoría de señales y sistemas, la señal en forma de escalera digital-puede verse como la convolución de una señal muestreada de impulso-ideal y una señal de pulso rectangular. En consecuencia, según el teorema de convolución, el espectro de la señal digital es el producto del espectro de la señal muestreada del impulso-y el espectro del pulso rectangular (conocido como función Sa). Por lo tanto, al utilizar el recíproco de la función Sa para la compensación espectral, la señal muestreada original se puede recuperar a partir de la señal digital. Además, según el teorema de muestreo, aplicar un filtrado de paso bajo-ideal al espectro de la señal muestreada produce el espectro de la señal analógica original.
En implementaciones prácticas, estos principios teóricos no se aplican directamente, ya que generar señales muestreadas ideales y nítidas es un desafío técnico. Por lo tanto, estas dos etapas de filtrado (la compensación de la función Sa-y el filtrado de paso bajo-ideal) normalmente se combinan (en cascada). Además, dado que las características de filtrado ideales requeridas por este sistema son físicamente irrealizables, los sistemas reales sólo pueden proporcionar una aproximación de este proceso.
2. Un convertidor analógico-a-digital (ADC) es un sistema que convierte señales analógicas en señales digitales; este proceso implica filtrar, muestrear, mantener y codificar.
La señal analógica primero se somete a un filtrado limitador de banda-y pasa a través de un circuito de muestreo-y-retención, transformándose así en una señal similar a una escalera-. Posteriormente, esta señal pasa a través de un codificador, que convierte cada nivel de voltaje distinto dentro de la señal de escalera en un código binario correspondiente.