¿Qué es el PLC?
Las siglas PLC significa Programmable Logic Controller, que como su propio nombre indica es un controlador lógico programable.
Los componentes de un PLC básico son losiguientes:
Rack principal
Fuente de alimentación
CPU
Tarjetas entradas/salidas digitales
Tarjetas entradas/salidas analógicas
Tarjetas especiales
1. RACK PRINCIPAL
Este elemento es sobre el que se "enchufan" o conectan el resto de los elementos. Va atornillado a la placa de montaje del armario de control. Puede alojar a un número finito de elementos dependiendo del fabricante y conectarse a otros racks similares mediante un cable al efecto, llamándose en este caso rack de expansión.
2. FUENTE DE ALIMENTACION
Es la encargada de suministrar la tensión y corriente necesarias tanto a la CPU como a las tarjetas (según fabricante). La tensión de entrada es normalmente de 110/220VAC de entrada y 24 DCV de salida que es con la que se alimenta a la CPU.
3. CPU
Es el cerebro del PLC. Consta de uno o varios microprocesadores (según fabricante) que se programan mediante un software propio. La mayoría de ellos ofrecen varias formas de programación (lenguaje contactos, lenguaje nemónico o instrucciones, lenguaje de funciones, grafcet, etc). Trabajan según la lógica de 0 y 1, esto es, dos estados para un mismo bit. Normalmente trabajan con bases de 16 bits, del 0 al 15 aunque algunos modernos trabajan con bases de 32 bits. Según los modelos de CPU ofrecen en principio mas o menos capacidad de memoria pero también va ligado esto a un aumento de la velocidad del reloj del procesador y prestaciones de cálculo o funciones matemáticas especiales.
Hoy en día la potencia de cálculo de estos PLCs es grandísima, sobre todo si se trabaja con números reales o coma flotante, dando unas resoluciones mas que deseables. Trabajando con programas digitales puede alcanzarse un ciclo de scan de 10 ms. Con analógicas y un programa normalito puede llegarse a los 40 ms, mucho mas rápido que cualquier sistema de lectura analógico o válvula de control.
El programa alojado en la CPU va escrito en un lenguaje propio de la misma, se ejecuta en una secuencia programable y tiene un principio y un final. El tiempo que transcurre entre los dos se llama ciclo de scan y hay un temporizador interno que vigila que este programa se ejecute de principio a fin, llamado "perro guardián" o "watchdog". Si este temporizador finaliza y el programa no ha ejecutado la instrucción END , el PLC pasará a estado de STOP.
4. Tarjetas entradas/salidas digitales
Se enchufan o conectan al rack y comunican con la CPU a través de la citada conexión. En el caso de las entradas digitales transmiten los estados 0 o 1 del proceso (presostatos, finales carrera, detectores, conmutadores, etc) a la CPU. En el caso de las salidas, la CPU determina el estado de las mismas tras la ejecución del programa y las activa o desactiva en consecuencia.
Normalmente se utilizan tarjetas de entradas de 24 DCV y salidas de 24 DCV, aunque también las hay de 110 y 220 VAC, depende de las preferencias y normativas locales. Las hay de 8, 16 y 32 entradas o salidas o mezclas de ambas.
5. Tarjetas entradas/salidas analógicas
Se enchufan o conectan al rack de igual manera que las anteriores, pero teniendo en cuenta que en algunos modelos de PLCs han de estar situadas lo mas cerca posible de la CPU. Estas tarjetas leen un valor analógico e internamente lo convierten en un valor digital para su procesamiento en la CPU. Esta conversión la realizan los convertidores analógico-digitales internos de las tarjetas que en algunos casos es uno para todos los canales de entrada o salida aunque actualmente se tiene uno por cada canal de entrada o salida. En este último caso el procesamiento de las señales analógicas es mucho mas rápido que en el otro.
Estas tarjetas son normalmente de 2, 4, 8 o 16 entradas/salidas analógicas, llamándose a cada una de ellas canal y empezando por el 0, esto es, una tarjeta de 4 canales analógicos comenzaría por el 0 y terminaría en el 3. Los rangos de entrada están normalizados siendo lo más frecuente el rango de 4-20 mA (miliamperios) y 0-10 DCV, aunque también existen de 0-20 mA, 1-5V, 0-5V, etc.
Lo mas importante a la hora de elegir una tarjeta analógica es que esta disponga de separación galvánica para cada canal, es decir, que los canales sean totalmente independientes electrónicamente unos de otros dentro de la propia tarjeta para que no se afecten mutuamente por efecto de una mala tierra o derivación a la misma de uno de ellos.
6. Tarjetas especiales
Se enchufan o conectan al rack y comunican con la CPU a través de la citada conexión. Se utilizan normalmente para control o monitorización de variables o movimientos críticos en el tiempo, ya que usualmente realizan esta labor independientemente de la CPU. Son algunas muestras las siguientes:
Tarjetas de contage rápido
Tarjetas de posicionamiento de motores
Tarjetas de regulación ...
¿Que es un sistema SCADA-MMI?
1. Un sistema MMI (del inglés Man Machine Interface) es el interfaz de unión entre el operario y la máquina . Puede ser un panel de operador o una computadora (PC), pero en ambos casos comunican y transmiten datos a y desde el PLC.
En el caso de un Panel de Operador, este se compone de una pantalla con más o menos resolución de gráficos y teclas numéricas y de función o como en algunos casos pantalla tactil. La pantalla puede ser en color o monocromo e indica el estado de los diferentes valores del proceso, con gráficos complejos o figuras sencillas permitiendo a su vez introducir valores para ajustar los parámetros de regulación del proceso o consignas del mismo.
Se programan con un software propio, al igual que los PLCs, y diferente a estos aunque sean del mismo fabricante. Comunican con el PLC a través de un puerto de comunicación, que varía de unos a otros, pero siendo lo más frecuente una comunicación RS232 a 19.2 Kbaudios. Generalmente el frontal suele ser de un material plástico o similar con un alto grado de protección, IP65 o NEMA 12, ya que está expuesto a la intemperie o al ambiente agresivo del lugar de trabajo.
Entre las funciones que pueden desarrollar estos paneles de operador están las siguientes:
Visualizar y parametrizar datos del proceso (lectura y escritura de variables)
Gestión de alarmas del proceso, con textos de ayuda al operario para la resolución de las mismas
Recopilación de alarmas sucedidas en el tiempo (histórico de alarmas)
Impresión de las citadas alarmas
En el caso de una computadora (PC), esta es la encargada de comunicar con el PLC. Realiza las mismas funciones que un panel de operador y además puede trabajar como sistema SCADA (adquisición de datos) y con los nuevos controles disponibles e integrados en los sistemas operativos (Windows 95/98/NT) se puede hacer por ejemplo que ante una alarma del sistema el PC marque un número telefónico o mande un mensaje a un móvil con un texto asociado al operario o personal de mantenimiento correspondiente.
Para que un PC normal sea convertido a un PC SCADA-MMI son necesarios los siguientes elementos:
A) Software SCADA. Es el programa de software que se instala en el PC y que hace trabajar al mismo como un sistema SCADA-MMI. Puede ser del mismo fabricante que el PLC o diferente.
Tarjeta de comunicación PC-PLC. La suministra normalmente el fabricante del PLC o el del software SCADA-MMI. Se coloca en un bus libre, ISA o PCI del PC y se configura con un software propio y diferente al del SCADA.
B) Driver de comunicación. Es el "traductor" entre el sistema SCADA-MMI y el PLC. El driver de comunicación es un programa de software diferente al del SCADA y hace que el PC y el PLC se "entiendan" a través de la tarjeta de comunicación PC-PLC. Básicamente el programa SCADA crea una base de datos con los parámetros del proceso (TAGS) y el driver es el encargado de leer y escribir estos datos en el PLC. En este caso es sumamente recomendable utilizar tarjetas de comunicación del mismo fabricante que el PLC para evitar problemas de comunicación o evitar el eludir responsabilidades por parte de los fabricantes, ya que según ellos su equipo siempre trabaja perfectamente.
No hay ninguna regla para la elección de los PCs a la hora de instalar un sistema SCADA, pero si hay que insistir siempre con el fabricante en la compatibilidad del mismo con el software a instalar y sobre todo las tarjetas de comunicación, que algunas de ellas no son Plug&Play y crean conflicto con el sistema Plug&Play del PC a la hora de reservarse espacio en memoria para su funcionamiento (conflicto con los IRQs).
Un sistema SCADA basado en PC tiene la ventaja de guardar en disco los parámetros deseados para utilizarlos posteriormente en análisis estadísticos. Con los nuevos sistemas de comunicación (ETHERNET) y los protocolos asociados puede además monitorizarse el sistema desde cualquier lugar de una red o incluso desde casa a través de un módem.
Ambos sistemas, Panel de Operados y PC pueden asociarse haciendo un sistema sumamente completo.
C) Los sistemas de combustión
La combustión puede definirse entre otras maneras como un proceso de combinación entre las partículas de hidrógeno y carbono contenidas en los combustibles hidrocarburos y el oxígeno contenido en el aire. Esta combinación la realizan de manera controlada unos dispositivos llamados quemadores, que de diversos tipos y tamaños se utilizan para calentar elementos, desde el agua de una calefacción central de una casa hasta el acero o aluminio para realizar posteriormente perfiles laminados utilizados en la construcción de edificios y ventanas.
Durante el proceso de combustión se generan una serie de gases que en el caso de utilizarse aire limpio y combustión perfecta son CO2 y H2O, este último en forma de vapor de agua. Si la combustión es incompleta los gases generados son CO2 + CO + H2O. El CO o monóxido de carbono en altas concentraciones produce humo negro (no confundirlo con el caso de utilizar aire no limpio o humos que procedan de la carga que se esté calentando) y es un gas ávido de oxígeno por lo que irá a buscarlo allá donde se encuentre. Es por eso que en un incendio, cuando el fuego se encuentra por ejemplo localizado en una habitación, es recomendable cerrar las puertas y ventanas en la medida de lo posible (extinción por sofocación, se genera mucho CO frente a CO2) o no abrirlas porque al hacerlo todo el CO contenido dentro como resultado de una combustión incompleta buscará el oxígeno del aire y puede llegar a producir una deflagración (combustión rápida incontrolada) o incluso una explosión.
No obstante hay algunos procesos industriales que requieren de atmósferas ricas en CO, como pueden ser los procesos térmicos de carbonitruración, cementación, etc, utilizados en el tratamiento de endurecimiento superficial de piezas de motores o máquinas o en ciertos procesos cerámicos para obtener una composición o color determinados del producto.
Conjuntamente con los gases antes mencionados también se expulsa nitrógeno y otros gases no combustibles existentes en el aire, que no intervienen en la combustión pero que si roban calor de la llama producida y restan eficiencia al conjunto. Esta eficiencia puede aumentarse grandemente con la utilización de sistemas de recuperación de calor (economizadores o recuperadores) o los modernos sistemas regenerativos que precalientan el aire hasta una temperatura de hasta 1200 ºC incrementando enormemente el ahorro de combustible.
Los combustibles utilizados pueden ser del tipo sólido como la madera o el carbón, líquido como el gasóleo o fuelóleo y gaseoso como el propano, butano o gas natural. Sea cual sea el tipo de combustible a utilizar, la potencia del sistema viene siempre determinada por la cantidad de aire disponible. La mezcla aire-combustible sigue una relación predeterminada que va en función de la composición química de este último. A modo de ejemplo, 1 Nm3 (Normal metro cúbico, referido a condiciones standard de presión y temperatura) de gas natural necesita 10 Nm3 de aire para quemarse totalmente, o 1 Nm3 de gas propano necesita 23 Nm3 de aire para quemarse totalmente. Esta relación teórica se llama estequiométrica y se utiliza en pocas ocasiones en situaciones reales. Normalmente siempre se hacen trabajar a los sistemas con un ligero exceso de aire para asegurar una combustión perfecta de los gases.
Si los quemadores son del tipo atmosférico (calentador de agua o calefacción de casa) absorben el aire necesario para la combustión por efecto venturi. En el caso de instalaciones industriales es mas común disponer de aire a presión generado por un dispositivo llamado ventilador, que movido por un motor eléctrico toma aire de la atmósfera y lo comprime a la presión necesaria para que funcionen el o los quemadores.
En equipos industriales es normal la utilización de PLCs conjuntamente con algún sistema MMI o sistemas externos convencionales para controlar la operación de estos equipos. El diseño de todos estos sistemas sigue una serie de normas de seguridad que hacen que trabajen de manera totalmente segura.
En todo proceso industrial existe una señal de proceso, una consigna y una acción de control. Estas tres variables están interrelacionadas entre sí por medio de lo que se denomina un lazo de regulación. El ejemplo siguiente puede ser válido para definirlo:
En este caso la variable de proceso (PV, del inglés Process Value) es la temperatura de salida de aceite del intercambiador, la señal de consigna (SP, del inglés Set Point) es el valor de temperatura que nosotros queremos que tenga dicho aceite y la salida de control (OUT, o CV, OUTput o Control Value, respectivamente y en inglés) es la acción de control que va a producir la apertura o cierre de la válvula motorizada para que entre más o menos agua fría al intercambiador y de esa manera enfríe el aceite a la temperatura que nosotros queramos. La acción de control intentará que la diferencia entre la consigna SP y el valor de proceso PV se mínima e incluso nula; para ello se dispone de lo que se llama un bloque PID que en función de unos parámetros de ajuste internos variará la salida OUT de manera que así sea. Los bloques PID o bloques de regulación están hoy en día implementados en todos los autómatas y sistemas de supervisión y funcionan según un algoritmo matemático que difiere de unos otros fabricantes.
Las siglas PID provienen de los tres parámetros de ajuste mas importantes del citado bloque, que son a saber, la banda o ganancia proporcional (P), el tiempo integral (I) y el tiempo derivativo (D).
La acción P va a generar una salida de control proporcional al error entre SP y PV. Si este parámetro es la Ganancia Proporcional, dicha acción será directamente proporcional al error; si el parámetro es la Banda Proporcional la acción de control será inversamente proporcional al error entre SP y PV. Hablando claro, para un error dado entre SP y PV, si el bloque PID trabaja con Ganancia proporcional, cuanto mayor sea el valor aquí introducido mayor será la acción de control. Por el contrario, si el bloque PID trabaja con Banda Proporcional, la acción de control será mayor cuanto menor sea el valor del dato introducido para este campo.
La acción I va a producir un cambio de la acción de control en el tiempo, es decir, va a hacer que la acción de control varíe en sentido ascendente o descendente aunque el error entre el SP y el PV sea el mismo. Al igual que en el caso anterior hay dos tipos de tiempos integrales, uno viene dado en repeticiones por minuto y otro en minutos por repetición y al igual que en el caso anterior, uno es inverso del otro.
La acción D va a variar la acción de control en función de la velocidad del proceso, esto es en función de la velocidad con que crece o decrece el error entre SP y PV.
Estas tres variables se definen en inglés como GAIN, RESET y RATE respectivamente.
Los parámetros explicados anteriormente son los básicos de todo lazo de regulación, aunque muchos fabricantes incluyen además de estos, otros con la idea de adecuar la PID al proceso requerido de tal modo que la acción de control sea la correcta. Muchos bloques PID disponen de una función llamada autotunning que busca los parámetros idóneos de regulación para el proceso que estén controlando de manera automática.
Unos buenos valores de PID tienen que conseguir que el proceso esté estable sin castigar excesivamente la válvula de control. El ajuste manual de estos valores conlleva el conocimiento del proceso y armarse de paciencia.
El gráfico mostrado al principio del presente artículo constituye un lazo de regulación simple. También existe el denominado lazo en cascada como el que se muestra a continuación:
En él se puede apreciar que la salida de control del primer bloque PID se escala en unidades de consigna de temperatura para el siguiente bloque PID y la salida de control de éste actúa sobre la válvula de control. Con este sistema se pretende controlar la salida de la temperatura del agua del intercambiador para de este modo regular a su vez la de salida del aceite del mismo.
En los procesos industriales todos los lazos de regulación pueden simplificarse a los dos ejemplos anteriores, combinaciones de dos o más de ellos o de ambos a la vez.
Este es uno de los caballos de batalla diario de toda fábrica, que aún está sin dominar completamente. La seguridad en la fábrica no solamente afecta a nivel personal del operario sino que también lo hace a nivel de productividad, es por eso que las industrias de cierta importancia dedican cada vez más dinero de su presupuesto anual a esta materia, teniendo incluso un departamento específico que se ocupa de esta labor.
El cometido de este departamento consiste en dictar normas de seguridad internas de fábrica de aplicación a su personal (sin distinción de nivel profesional) además de velar por su cumplimiento y penalización en caso de no hacerlo.
Estas normas pueden comúnmente dividirse en varios apartados como son el de “normas generales de planta”, “normas para trabajos eléctricos de baja y alta tensión”, “normas para trabajos en altura, “normas para trabajos en espacios confinados”, “normas para utilización de equipos móviles internos”, “normas para trabajos de alto riesgo, como exceso de temperatura ambiente, riesgo de salpicaduras de líquidos corrosivos o calientes, etc”. Todas estas normas son de obligado cumplimiento como se ha dicho y no solo para la gente de la propia empresa sino para la gente de fuera de ella cuando estén dentro de sus instalaciones, ya sea de visita o trabajando temporalmente (subcontratadas). A este respecto es de reseñar que hay empresas que obligan a las subcontratas que vayan a realizar trabajos periódicos de mantenimiento o actuaciones esporádicas y a los suministradores a redactar un plan de seguridad donde se especifica entre otras cosas las siguientes:
- La naturaleza del trabajo a realizar dividida en sus diferentes fases, lugar en que realiza o zona de la fábrica afectada con planos aclaratorios del mismo.
- Riesgos inherentes en cada una de ellas y las medidas particulares y generales a adoptar para evitarlos, haciendo referencia a la norma específica de fábrica.
- Riesgos derivados del uso de maquinaria ( taladros, máquinas de soldar, etc), medidas especiales a adoptar y normativa afectada.
- Descripción del EPI ( Equipo de Protección Individual), incluyendo además del básico el especial para los trabajos a realizar utilizando la maquinaria explicada en el párrafo anterior.
- Residuos generados y método a emplear para eliminarlos o almacenarlos antes de su eliminación.
- Certificados médicos de todos los trabajadores.
- Certificados de formación específica de los trabajadores en cuanto a todas las normas de seguridad a cumplir cuando se realicen trabajos dentro de fábrica.
Todas estas normas y sistemas de protección van encaminados a preservar la integridad física del operario en primer lugar y la de la planta y equipos en segundo lugar, pero para ello es muy importante que el afectado se de cuenta de la trascendencia de las mismas y que estas normas existen no por capricho de alguna persona sino como resultado del aprendizaje debido a los muchos accidentes laborales que ha habido.
En este sentido y con el fin de preservar la integridad de las personas y las propias máquinas, éstas deben estar diseñadas siguiendo la normativa europea correspondiente a tal respecto.
