Controlador lógico programable

En los últimos años, la introducción de los PLC virtuales ha ampliado el alcance de los controladores lógicos programables. Los PLC virtuales son controladores basados ​​en software que simulan las funciones de los PLC tradicionales, pero se ejecutan en hardware de propósito general, ofreciendo una alternativa más rentable y flexible. Estos controladores permiten gestionar sistemas de automatización sin necesidad de hardware dedicado, lo que los hace ideales para aplicaciones que requieren simulación, control remoto o sistemas basados ​​en la nube. ^{[ 9 ]}

En 1968, GM Hydramatic, la división de transmisiones automáticas de General Motors , emitió una solicitud de propuestas para un sistema electrónico que reemplazara los sistemas de relés cableados, basándose en un documento técnico escrito por el ingeniero Edward R. Clark. La propuesta ganadora provino de Bedford Associates, de Bedford, Massachusetts . El resultado, construido en 1969, fue el primer PLC y se denominó 084 , porque fue el octogésimo cuarto proyecto de Bedford Associates. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Bedford Associates fundó una empresa, Modicon, Inc. , ^{[ 12 ]} dedicada al desarrollo, fabricación, venta y mantenimiento de este nuevo producto, al que nombraronModicon (acrónimo de "controlador digital modular"). Uno de los participantes en ese proyecto fueDick Morley, considerado el padre del PLC. ^{[ 13 ]} La marca Modicon se vendió en 1977 aGould Electronicsy posteriormente aSchneider Electric, su actual propietario. ^{[ 11 ]} Casi al mismo tiempo, Modicon creóModbus, un protocolo de comunicación de datos para usar con sus PLC. Desde entonces, Modbus se ha convertido en un protocolo abierto estándar de uso común para conectar numerosos dispositivos eléctricos industriales. ^{[ 14 ]}

Uno de los primeros modelos Modicon 084 fabricados se exhibe actualmente en las instalaciones de Schneider Electric en North Andover, Massachusetts . Fue obsequiado a Modicon por GM cuando la unidad fue retirada tras casi veinte años de servicio ininterrumpido. Modicon utilizó la denominación 84 al final de su gama de productos, como Modicon Micro 84 y Modicon TSX CSY 84, hasta la aparición del modelo 984. ^{[ 15 ]}

En un desarrollo paralelo, a Odo Josef Struger también se le conoce a veces como el "padre del controlador lógico programable". ^{[ 13 ]} Estuvo involucrado en la invención del controlador lógico programable Allen-Bradley . ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} Antes del lanzamiento de la "Computadora Personal" de IBM en 1981, estos dispositivos se conocían comúnmente como "Controladores Programables" o "PC". Pero con la rápida expansión de la industria de las computadoras personales a principios de la década de 1980, la abreviatura "PC" fue rápida y universalmente aceptada como referencia a las "Computadoras Personales". Posteriormente, se le atribuyó a Odo la creación del acrónimo "PLC" ^{[ 13 ] [ 16 ]} para distinguir estas dos tecnologías, y la inclusión de la palabra "Lógica" fue una elección fácil, ya que "Ladder Logic" ya había sido aceptada como el nombre del lenguaje de programación. Allen-Bradley (ahora una marca propiedad de Rockwell Automation ) se convirtió en el fabricante dominante de PLC en los Estados Unidos durante su gestión. ^{[ 19 ]} Struger desempeñó un papel de liderazgo en el desarrollo de los estándares del lenguaje de programación de PLC IEC 61131-3 . ^{[ 13 ]} PLC-5 de Allen-Bradley La familia, precedida por el 1774-PLC (lanzado en la década de 1980), fue el primer diseño modular que se encuentra en los sistemas modernos. ^{[ 20 ]}

Si bien Modicon fue el PLC más popular de los primeros PLC con todas las funciones hasta principios de la década de 1980, Allen Bradley lo superó a mediados de la década de 1980 y llegó a poseer la mayor cuota de mercado de hardware y software de PLC en Norteamérica. ^{[ 21 ]}

Muchas de las primeras aplicaciones de programación de PLC no podían representar gráficamente la lógica, por lo que esta se representaba como una serie de expresiones lógicas en algún tipo de formato booleano, similar al álgebra booleana . A medida que evolucionaron los terminales de programación, dado que la lógica de escalera era un formato familiar utilizado en los paneles de control electromecánicos, su uso se generalizó. Existen formatos más recientes, como la lógica de estados, ^{[ 22 ]} los diagramas de bloques de funciones y el texto estructurado . La lógica de escalera sigue siendo popular porque los PLC resuelven la lógica en una secuencia predecible y repetitiva, y permite al programador detectar cualquier problema con la sincronización de la secuencia lógica con mayor facilidad que en otros formatos. ^{[ 23 ]}

Hasta mediados de la década de 1990, los PLC se programaban utilizando paneles de programación propietarios o terminales de programación de propósito especial , que a menudo tenían teclas de función dedicadas que representaban los diversos elementos lógicos de los programas de PLC. ^{[ 10 ]} Algunos terminales de programación propietarios mostraban los elementos de los programas de PLC como símbolos gráficos, pero eran comunes las representaciones simples de caracteres ASCII de contactos, bobinas y cables. Los programas se almacenaban en cartuchos de cinta de casete . Las facilidades para imprimir y documentar eran mínimas debido a la falta de capacidad de memoria. Los PLC más antiguos utilizaban memoria de núcleo magnético .

Existen dos tipos de diseño mecánico para sistemas PLC. Una caja única (también llamada ladrillo ) es un controlador programable pequeño que integra todas las unidades e interfaces en una carcasa compacta, aunque, por lo general, se dispone de módulos de expansión adicionales para entradas y salidas. El segundo tipo de diseño , un PLC modular , cuenta con un chasis (también llamado bastidor ) que proporciona espacio para módulos con diferentes funciones, como fuente de alimentación, procesador, selección de módulos de E/S e interfaces de comunicación , todos los cuales pueden personalizarse para la aplicación específica. ^{[ 27 ]} Varios bastidores pueden ser administrados por un solo procesador y pueden tener miles de entradas y salidas. Se utiliza un enlace de E/S serie de alta velocidad o un método de comunicación similar para que los bastidores puedan distribuirse lejos del procesador, reduciendo así los costos de cableado para grandes plantas.   

Las señales discretas (digitales) solo pueden tomar valores de encendido o apagado (1 o 0, verdadero o falso ). Ejemplos de dispositivos que proporcionan una señal discreta incluyen interruptores de límite y sensores fotoeléctricos . ^{[ 28 ]}

Las señales analógicas pueden usar voltaje o corriente análogos a la variable monitoreada y pueden tomar cualquier valor dentro de su escala. La presión, la temperatura, el caudal y el peso se representan frecuentemente mediante señales analógicas. Estas se interpretan típicamente como valores enteros con diversos rangos de precisión, dependiendo del dispositivo y la cantidad de bits disponibles para almacenar los datos. ^{[ 28 ]} Por ejemplo, una entrada de bucle de corriente  analógica de 0 a 10 V o de 4 a 20  mA se convertiría en un valor entero de 0 a 32 767. El PLC tomará este valor y lo traducirá a las unidades deseadas del proceso para que el operador o el programa puedan leerlo.

Algunos procesos especiales deben funcionar de forma continua con un tiempo de inactividad mínimo. Por lo tanto, es necesario diseñar un sistema tolerante a fallos . En estos casos, para aumentar la disponibilidad del sistema ante un fallo de algún componente de hardware, se pueden añadir módulos de CPU o E/S redundantes con la misma funcionalidad a la configuración de hardware para evitar una parada total o parcial del proceso debido a un fallo de hardware. Otros escenarios de redundancia podrían estar relacionados con procesos críticos para la seguridad; por ejemplo, las grandes prensas hidráulicas podrían requerir que dos PLC activen una salida antes de que la prensa pueda detenerse si uno de los PLC no funciona correctamente.

Los fabricantes desarrollan software de programación para sus PLC. Además de permitir programar los PLC en varios lenguajes, ofrecen funciones comunes como diagnóstico y mantenimiento de hardware, depuración de software y simulación fuera de línea. ^{[ 34 ]}

Los programas de PLC se suelen escribir en un dispositivo de programación, que puede ser una consola de escritorio, un software especial en una computadora personal o un dispositivo portátil. ^{[ 34 ]} El programa se descarga al PLC mediante una conexión por cable o a través de una red. Se almacena en memoria flash no volátil o en memoria RAM con respaldo de batería en el PLC. En algunos PLC, el programa se transfiere desde el dispositivo de programación mediante una tarjeta de programación que lo graba en un chip extraíble, como una EPROM , que luego se inserta en el PLC.

Un PLC programado incorrectamente puede provocar pérdidas de productividad y condiciones peligrosas para los equipos programados. La simulación de PLC es una función frecuente en el software de programación de PLC. Permite realizar pruebas y depuraciones en las primeras etapas del desarrollo de un proyecto. Probar el proyecto mediante simulación mejora su calidad, aumenta el nivel de seguridad de los equipos y ahorra tiempo durante la instalación y puesta en marcha de las aplicaciones de control automatizado, ya que se pueden probar numerosos escenarios antes de la activación del sistema. ^{[ 34 ] [ 35 ]}

La función más básica de un controlador lógico programable (PLC) es emular las funciones de los relés electromecánicos. Dentro del entorno de programación del PLC, las entradas discretas reciben una dirección única, y una instrucción del PLC puede comprobar si el estado de la entrada está activado o desactivado. Así como una serie de contactos de relé realiza una operación lógica AND , impidiendo el paso de corriente a menos que todos los contactos estén cerrados, una serie de instrucciones de comprobación activará su bit de almacenamiento de salida si todos los bits de entrada están activados. De forma similar, un conjunto paralelo de instrucciones realizará una operación lógica OR . En un diagrama de cableado de un relé electromecánico, un grupo de contactos que controlan una bobina se denomina peldaño de un diagrama de escalera , y este concepto también se utiliza para describir la lógica del PLC. ^{[ a ]} La salida de cada peldaño activa o desactiva un bit de almacenamiento, que puede estar asociado a una salida discreta o a una bobina interna sin conexión física. Dichas bobinas internas pueden utilizarse, por ejemplo, como elemento común en varios peldaños separados.

Las instrucciones más avanzadas del PLC pueden implementarse como bloques funcionales, que realizan alguna operación, como la manipulación de una variable interna, cuando se habilitan mediante una entrada lógica y que producen salidas para indicar, por ejemplo, la finalización o los errores.

Los PLC utilizan puertos integrados, como USB , Ethernet , RS-232 , RS-485 o RS-422, para comunicarse con dispositivos externos (sensores, actuadores) y sistemas ( herramientas de programación , SCADA y otras interfaces de usuario ). La comunicación se realiza mediante diversos protocolos de red industriales, como Modbus o EtherNet/IP . Muchos de estos protocolos son específicos del fabricante. Anteriormente, algunos fabricantes ofrecían módulos de comunicación dedicados como función adicional cuando el procesador no disponía de conexión de red integrada.

Los PLC utilizados en sistemas de E/S de mayor tamaño pueden tener comunicación punto a punto (P2P) entre procesadores. Esto permite que distintas partes de un proceso complejo tengan control individual, al tiempo que posibilita que los subsistemas se coordinen a través del enlace de comunicación.

Los PLC pueden necesitar interactuar con personas para su configuración, la notificación de alarmas o el control diario. Para ello, se utiliza una interfaz hombre-máquina (HMI). Las HMI también se conocen como interfaces hombre-máquina (MMI) o interfaces gráficas de usuario (GUI). Un sistema sencillo puede usar botones e indicadores luminosos para interactuar con el usuario. Existen pantallas de texto y pantallas táctiles gráficas. Los sistemas más complejos utilizan software de programación y monitorización instalado en un ordenador, con el PLC conectado mediante una interfaz de comunicación.

Estos dispositivos están diseñados para máquinas y sistemas pequeños con volúmenes de producción bajos o medios. Pueden ejecutar lenguajes PLC como lógica de escalera , diagramas de bloques de funciones y diagramas de funciones secuenciales . Son similares a los PLC tradicionales, pero su pequeño tamaño permite a los desarrolladores integrarlos en placas de circuito impreso personalizadas, como si fueran microcontroladores , sin necesidad de conocimientos de programación, pero con un lenguaje fácil de usar, modificar y mantener. Arquitectónicamente, se sitúan entre los PLC clásicos o microPLC y los microcontroladores.

Un diseño basado en microcontroladores sería apropiado cuando se produzcan cientos o miles de unidades, de modo que el costo de desarrollo (diseño de fuentes de alimentación, hardware de entrada/salida y las pruebas y certificaciones necesarias) pueda distribuirse entre muchas ventas, y donde el usuario final no necesite modificar el control. Las aplicaciones automotrices son un ejemplo; se fabrican millones de unidades cada año y muy pocos usuarios finales modifican la programación de estos controladores. Sin embargo, algunos vehículos especializados, como los autobuses de transporte público, utilizan PLC de forma económica en lugar de controladores diseñados a medida, debido a que los volúmenes son bajos y el costo de desarrollo no sería rentable. ^{[ 44 ]}

El control de procesos muy complejos, como el utilizado en la industria química, puede requerir algoritmos y un rendimiento que superan la capacidad incluso de los PLC de alto rendimiento. Los controles de muy alta velocidad o precisión también pueden requerir soluciones personalizadas; por ejemplo, los controles de vuelo de aeronaves. Para aplicaciones de control muy exigentes, donde se puede asumir el alto costo de desarrollo y mantenimiento, se pueden elegir computadoras de placa única que utilicen hardware semicustomizado o totalmente propietario. Los PLC de software que se ejecutan en computadoras de escritorio pueden interactuar con hardware de E/S industrial mientras ejecutan programas dentro de una versión de sistemas operativos comerciales adaptados a las necesidades de control de procesos. ^{[ 44 ]}

La creciente popularidad de las computadoras de placa única también ha influido en el desarrollo de los PLC. Los PLC tradicionales suelen ser plataformas cerradas , pero algunos PLC más recientes (por ejemplo, groov EPIC de Opto 22 , ctrlX de Bosch Rexroth , PFC200 de Wago , PLCnext de Phoenix Contact y Revolution Pi de Kunbus) ofrecen las características de los PLC tradicionales en una plataforma abierta .

En los últimos años, los pequeños dispositivos denominados relés lógicos programables (PLR) o relés inteligentes se han vuelto más comunes y aceptados. Estos son similares a los PLC y se utilizan en industrias ligeras donde solo se necesitan unos pocos puntos de E/S y se busca un bajo costo. Estos pequeños dispositivos suelen tener un tamaño y forma físicos comunes, fabricados por varios fabricantes y comercializados bajo la marca de los fabricantes de PLC más grandes para completar su gama de productos de gama baja. La mayoría de ellos tienen de 8 a 12 entradas discretas, de 4 a 8 salidas discretas y hasta 2 entradas analógicas. La mayoría de estos dispositivos incluyen una pequeña pantalla LCD del tamaño de un sello postal para visualizar la lógica de escalera simplificada (solo una pequeña parte del programa es visible a la vez) y el estado de los puntos de E/S. Normalmente, estas pantallas van acompañadas de un pulsador basculante de 4 posiciones y cuatro pulsadores adicionales, similares a los botones de un control remoto de video , que se utilizan para navegar y editar la lógica. La mayoría cuenta con un puerto RS-232 o RS-485 para la conexión a un PC, lo que permite a los programadores utilizar software intuitivo en lugar de la pequeña pantalla LCD y el conjunto de botones. A diferencia de los PLC convencionales, que suelen ser modulares y altamente ampliables, los PLR generalmente no lo son, pero su coste puede ser significativamente inferior al de un PLC y, aun así, ofrecen un diseño robusto y una ejecución lógica determinista.

Una variante de los PLC, utilizada en ubicaciones remotas, es la unidad terminal remota (RTU). Una RTU es típicamente un PLC robusto de bajo consumo cuya función principal es gestionar los enlaces de comunicación entre la planta y el sistema de control central (normalmente SCADA ) o, en algunos sistemas modernos, la nube. A diferencia de la automatización industrial que utiliza protocolos de comunicación cableados como Ethernet , los enlaces de comunicación con las plantas remotas suelen basarse en radiofrecuencia y son menos fiables. Para compensar esta menor fiabilidad, la RTU almacena en búfer los mensajes o cambia a rutas de comunicación alternativas. Al almacenar los mensajes en búfer, la RTU registra la fecha y hora de cada mensaje para poder reconstruir un historial completo de los eventos de la planta. Las RTU, al ser PLC, tienen una amplia gama de E/S y son totalmente programables, normalmente con lenguajes del estándar IEC 61131-3 , común a muchos PLC, RTU y DCS. En ubicaciones remotas, es común utilizar una RTU como puerta de enlace para un PLC, donde el PLC realiza todo el control de la planta y la RTU gestiona las comunicaciones, registra la fecha y hora de los eventos y supervisa los equipos auxiliares. En emplazamientos con solo un número reducido de entradas/salidas, la RTU también puede funcionar como PLC del emplazamiento y desempeñará funciones tanto de comunicación como de control.