¿Y si la selección del PLC ideal pudiera transformar la eficiencia de su fabricación? Este artículo se sumerge en los principios cruciales de la elección del controlador lógico programable (PLC) adecuado, abarcando factores como la fiabilidad del fabricante, los puntos de entrada/salida y las funciones de control esenciales. Al comprender estos aspectos clave, estará preparado para tomar decisiones informadas que pueden mejorar significativamente el rendimiento y la fiabilidad de su sistema. Siga leyendo para descubrir cómo el PLC adecuado puede agilizar sus operaciones e impulsar la productividad.
Antes de seleccionar un PLC, es importante determinar el esquema del sistema. Una vez determinado el esquema del sistema, podrá elegir el fabricante y el modelo que mejor se adapten a sus necesidades.
Este artículo ofrece información detallada sobre fabricantes, modelos, recuento de puntos de entrada/salida (E/S), funciones de control, etc., para ayudarle a seleccionar el PLC más adecuado a sus necesidades.
A la hora de seleccionar un fabricante para su PLC, es importante tener en cuenta factores como los requisitos del usuario del equipo, la familiaridad del diseñador con los PLC y los hábitos de diseño de los distintos fabricantes, la coherencia de los productos compatibles y los servicios técnicos.
Desde el punto de vista de la fiabilidad del propio PLC, en principio, no debería haber problemas con la fiabilidad de los productos de las principales empresas extranjeras. En general, para controlar equipos independientes o sistemas de control más sencillos, los productos PLC japoneses tienen ciertas ventajas en cuanto a costes.
Para los sistemas de control distribuido a gran escala con elevados requisitos de comunicación en red y apertura, los PLC europeos y estadounidenses presentan ventajas en cuanto a funcionalidad de comunicación en red.
Además, para algunas industrias especiales (como la metalurgia y el tabaco), deben seleccionarse sistemas PLC con un rendimiento operativo maduro y fiable en el campo industrial correspondiente.
El recuento de puntos de E/S de un PLC es uno de sus parámetros básicos. La determinación del recuento de puntos de E/S debe basarse en el número total de puntos de E/S necesarios para el equipo de control.
En general, los PLC deben tener márgenes apropiados para los puntos de entrada/salida. Normalmente, tras añadir 10% a 20% de márgenes ampliables basados en las estadísticas calculadas de puntos de entrada/salida, estos datos pueden utilizarse como recuento estimado de puntos de entrada/salida.
Al realizar pedidos reales, el recuento de puntos de entrada/salida debe ajustarse en función de las características específicas del producto PLC del fabricante.
La capacidad de almacenamiento se refiere al tamaño de la unidad de almacenamiento de hardware que puede proporcionar el controlador lógico programable, mientras que la capacidad de programa se refiere al tamaño de la unidad de almacenamiento utilizada por el proyecto de aplicación de usuario en la memoria.
Por lo tanto, la capacidad del programa es menor que la capacidad de almacenamiento. Durante la fase de diseño, dado que el programa de aplicación del usuario aún no se ha compilado, la capacidad del programa se desconoce y sólo puede determinarse tras la depuración del programa.
Para estimar la capacidad del programa durante el proceso de selección del diseño, se suele utilizar como sustituto la capacidad de almacenamiento estimada. No existe una fórmula fija para estimar la capacidad de memoria del PLC, y muchas fuentes bibliográficas ofrecen fórmulas diferentes.
Generalmente, se estima que el número total de palabras en memoria es de 10-15 veces el recuento de puntos de E/S digitales más 100 veces el recuento de puntos de E/S analógicos (cada palabra es de 16 bits), y también debe considerarse un margen adicional de 25%.
Esta selección incluye la elección de las características de funcionamiento, control, comunicación, programación, diagnóstico y velocidad de procesamiento.
Las funciones operativas de un PLC simple incluyen operaciones lógicas, temporización y funciones de recuento. Las funciones operativas de un PLC normal también incluyen el desplazamiento de datos, la comparación y otras funciones operativas.
Las funciones operativas más complejas incluyen operaciones algebraicas, transferencia de datos, etc. Los grandes PLC también disponen de funciones operativas avanzadas, como el funcionamiento PID para señales analógicas.
Con la aparición de los sistemas abiertos, la mayoría de los PLC tienen ahora funciones de comunicación, algunos productos tienen comunicación con máquinas de nivel inferior, algunos tienen comunicación con ordenadores pares o superiores, y algunos incluso tienen funciones de comunicación de datos con fábricas o redes empresariales.
Al seleccionar el PLC en función de los requisitos reales, es importante seleccionar razonablemente las funciones operativas necesarias.
En la mayoría de los escenarios de aplicación, sólo se necesitan operaciones lógicas y funciones de temporización/conteo.
Algunas aplicaciones requieren la transferencia y comparación de datos, y las operaciones algebraicas, la conversión numérica y las operaciones PID sólo se utilizan para la detección y el control de señales analógicas. Algunas aplicaciones también requieren operaciones de descodificación y codificación para mostrar datos.
Las funciones de control incluyen operaciones de control PID, operaciones de control de compensación feed-forward, operaciones de control de relación, etc., que deben determinarse en función de los requisitos de control. Dado que el PLC se utiliza principalmente para el control lógico secuencial, los controladores de un solo lazo o multilazo se utilizan a menudo para resolver el control analógico en la mayoría de los escenarios.
A veces se utilizan unidades de entrada/salida inteligentes dedicadas para completar las funciones de control necesarias, mejorando la velocidad de procesamiento del PLC y ahorrando capacidad de almacenamiento. Por ejemplo, utilizando unidades de control PID, contadores de alta velocidad, unidades analógicas con compensación de velocidad, unidades de conversión ASCII, etc.
Los sistemas PLC medianos y grandes deben admitir varios buses de campo y protocolos de comunicación estándar (como TCP/IP), y deben poder conectarse con redes de gestión de fábrica (TCP/IP) cuando sea necesario.
El protocolo de comunicación debe cumplir las normas de comunicación ISO/IEEE y debe ser una red de comunicación abierta.
La interfaz de comunicación del sistema PLC debe incluir interfaces de comunicación serie y paralelo (RS2232C/422A/423/485), puertos de comunicación RIO, Ethernet industrial, interfaces DCS de uso común, etc.
El bus de comunicación de los PLC medianos y grandes (incluidos los dispositivos de interfaz y los cables) debe tener en cuenta la configuración redundante, y el bus de comunicación debe cumplir las normas internacionales. La distancia de comunicación debe cumplir los requisitos reales del dispositivo.
En la red de comunicación del sistema PLC, la velocidad de comunicación de la red de nivel superior debe ser superior a 1Mbps, y la carga de comunicación no debe superar los 60%.
La red de comunicación del sistema PLC tiene varias formas:
Para reducir la tarea de comunicación de la CPU, deben seleccionarse distintos procesadores de comunicación con diferentes funciones de comunicación (como punto a punto, bus de campo, Ethernet industrial) en función de las necesidades reales de la composición de la red.
Programación offline:
El PLC y el programador comparten una CPU. En el modo de programación, la CPU sólo sirve al programador y no controla el dispositivo de campo. Una vez finalizada la programación, el programador pasa al modo de ejecución, y la CPU controla el dispositivo de campo pero no puede realizar la programación.
La programación offline reduce los costes del sistema, pero es incómoda de utilizar y depurar.
Programación en línea:
La CPU y el programador tienen sus propias CPU. La CPU principal es responsable del control de campo e intercambia datos con el programador en un ciclo de exploración. El programador envía al host el programa o los datos programados en línea, y el host se ejecuta de acuerdo con el nuevo programa recibido en el siguiente ciclo de exploración.
Este método tiene un coste más elevado, pero la depuración y el funcionamiento del sistema son convenientes y se utilizan habitualmente en PLC de mediana y gran escala.
Cinco lenguajes de programación estandarizados:
Sequential Function Chart (SFC), Ladder Diagram (LD), Function Block Diagram (FBD) tres lenguajes gráficos, y Instruction List (IL) y Structured Text (ST) dos lenguajes de texto.
El lenguaje de programación seleccionado debe cumplir su norma (IEC6113123) y admitir formas de programación en varios lenguajes, como C, Basic, Pascal, etc., para satisfacer los requisitos de control de escenarios de control especiales.
La función de diagnóstico del PLC incluye diagnósticos de hardware y software. Los diagnósticos de hardware determinan la ubicación de los fallos de hardware mediante juicios lógicos de hardware, mientras que los diagnósticos de software incluyen diagnósticos internos y externos.
Diagnosticar el rendimiento y las funciones del PLC internamente mediante software es diagnóstico interno, mientras que diagnosticar la CPU y la función de intercambio de información de los componentes externos de entrada/salida mediante software es diagnóstico externo.
La potencia de la función de diagnóstico del PLC afecta directamente a las capacidades técnicas exigidas a los operarios y al personal de mantenimiento y repercute en el tiempo medio de reparación.
El PLC funciona en modo de exploración. Desde la perspectiva de los requisitos de tiempo real, la velocidad de procesamiento debe ser lo más rápida posible. Si la duración de la señal es inferior al tiempo de escaneado, el PLC no podrá escanear la señal, lo que provocará la pérdida de datos de la señal.
La velocidad de procesamiento está relacionada con la longitud del programa de usuario, la velocidad de procesamiento de la CPU, la calidad del software, etc.
Actualmente, el tiempo de respuesta y la velocidad de los contactos PLC son rápidos, y el tiempo de ejecución de cada instrucción binaria es de aproximadamente 0,2~0,4μs, lo que puede satisfacer los requisitos de las aplicaciones de alto control y respuesta rápida.
El ciclo de escaneado (ciclo de escaneado del procesador) debe cumplir los siguientes criterios: el tiempo de escaneado de los PLC pequeños no debe superar los 0,5 ms/K, y el tiempo de escaneado de los PLC medianos y grandes no debe superar los 0,2 ms/K.
Los PLC pueden clasificarse en dos tipos: integrales y modulares, en función de su estructura.
Los PLC integrales tienen un número relativamente fijo y reducido de puntos de E/S, lo que limita las opciones de los usuarios y suele utilizarse en sistemas de control pequeños. Algunos ejemplos de este tipo son la serie S7-200 de Siemens, la serie FX de Mitsubishi y la serie CPM1A de Omron.
Los PLC modulares ofrecen varios módulos de E/S que pueden conectarse a la placa base del PLC, lo que permite a los usuarios seleccionar y configurar el número de puntos de E/S en función de sus necesidades.
Esto hace que las configuraciones de PLC modulares sean más flexibles y se utilizan habitualmente en sistemas de control de tamaño medio a grande. Ejemplos de este tipo son las series S7-300 y S7-400 de Siemens, la serie Q de Mitsubishi y la serie CVM1 de Omron.
La selección de los módulos digitales de entrada/salida debe tener en cuenta los requisitos de la aplicación. Por ejemplo, en el caso de los módulos de entrada, deben tenerse en cuenta los niveles de señal de entrada, las distancias de transmisión, etc.
También hay muchos tipos de módulos de salida, como salida de contacto de relé, salida de tiristor bidireccional AC120V/23V, tipo de accionamiento de transistor DC24V, tipo de accionamiento de transistor DC48V, etc.
Normalmente, los módulos de salida de relé tienen las ventajas de su bajo coste y su amplio rango de tensión. Sin embargo, tienen una vida útil más corta, un tiempo de respuesta más largo y requieren circuitos de absorción de sobretensiones cuando se utilizan con cargas inductivas.
Los módulos de salida de tiristores bidireccionales tienen un tiempo de respuesta más rápido y son adecuados para conmutaciones frecuentes y ocasiones de carga con bajo factor de potencia, pero son más caros y tienen peor capacidad de sobrecarga.
Además, los módulos de entrada/salida pueden dividirse en especificaciones como 8 puntos, 16 puntos, 32 puntos, etc., según el número de entradas/salidas, y deben equiparse razonablemente según las necesidades reales.
Los módulos de entrada analógica pueden dividirse en tipo de entrada de corriente, tipo de entrada de tensión, tipo de entrada de termopar, etc., según el tipo de señales de entrada analógica.
El nivel de señal de un módulo de entrada de corriente suele ser de 4~20mA o 0~20mA, mientras que el de un módulo de entrada de tensión suele ser de 0~10V, -5V~+5V, etc. Algunos módulos de entradas analógicas pueden ser compatibles tanto con señales de entrada de tensión como de corriente.
Los módulos de salida analógica también tienen tipo de salida de tensión y tipo de salida de corriente. El rango de señal de la salida de corriente suele ser de 0~20mA, 4~20mA, mientras que el de las señales de salida de tensión suele ser de 0~0V, -10V~+10V, etc.
Los módulos de entrada/salida analógica pueden dividirse en especificaciones tales como 2 canales, 4 canales, 8 canales, etc., según sus números de canal de entrada/salida.
Los módulos de funciones incluyen módulos de comunicación, módulos de posicionamiento, módulos de salida de impulsos, módulos de recuento de alta velocidad, módulos de control PID, módulos de control de temperatura, etc.
A la hora de elegir un PLC, hay que tener en cuenta la posibilidad de combinar módulos de función, lo que implica aspectos tanto de hardware como de software.
Una vez determinados a grandes rasgos el modelo y las especificaciones del PLC, se pueden determinar las especificaciones básicas y los parámetros de cada componente del PLC uno por uno en función de los requisitos de control, y se pueden seleccionar los modelos de cada módulo componente.
A la hora de seleccionar los modelos de módulos, deben seguirse los siguientes principios:
Al seleccionar un PLC, debe tenerse en cuenta la relación rendimiento-precio. A la hora de considerar la economía, deben compararse y equilibrarse factores como la escalabilidad de la aplicación, la operabilidad, la relación entrada-salida, etc., para elegir un producto satisfactorio.
El número de puntos de entrada/salida repercute directamente en el precio. Aumentar el número de tarjetas de entrada/salida requiere costes adicionales. Cuando el número de puntos aumenta hasta un determinado valor, también hay que aumentar la capacidad de memoria, el bastidor, la placa base, etc. correspondientes.
Por lo tanto, el aumento del número de puntos repercute en la selección de la CPU, la capacidad de memoria y el alcance de la función de control. Debe tenerse plenamente en cuenta en la estimación y selección para que todo el sistema de control tenga una relación rendimiento-precio más razonable.
En general, hay muchos tipos de módulos que pueden satisfacer los requisitos de control como un PLC. A la hora de seleccionarlos, debe seguirse el principio de simplificar el diseño del circuito, la comodidad de uso y minimizar los componentes de control externos.
Por ejemplo, en el caso de los módulos de entrada, debe darse prioridad a la forma de entrada que puede conectarse directamente con elementos de detección externos para evitar el uso de circuitos de interfaz.
En el caso de los módulos de salida, se debe dar prioridad a los módulos de salida que puedan accionar directamente las cargas, y reducir al mínimo los relés intermedios y otros componentes.
A la hora de seleccionar, debe tenerse en cuenta la uniformidad y generalidad de cada módulo componente del PLC para evitar demasiados tipos de módulos.
Esto no sólo favorece la adquisición, reduciendo las piezas de repuesto, sino que también puede aumentar la intercambiabilidad de varios componentes del sistema, proporcionando comodidad para el diseño, la puesta en marcha y el mantenimiento.
Al seleccionar cada módulo componente del sistema PLC, debe tenerse muy en cuenta la compatibilidad para evitar problemas de compatibilidad.
Los fabricantes de los principales componentes del sistema PLC no deben ser demasiados. Si es posible, deben seleccionarse productos del mismo fabricante.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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