Un éxito Sistema de control de plc el diseño comienza con objetivos de automatización claramente definidos, alineados con las metas de producción. El análisis de la industria muestra que el 62% de los fallos en automatización se deben a objetivos mal documentados. Para prevenir esto, los equipos deberían:
Estas metas medibles garantizan que el sistema de control apoye la eficiencia operativa y la escalabilidad a largo plazo.
La asignación efectiva de E/S requiere distinguir entre señales digitales (encendido/apagado) y analógicas (variables). Los dispositivos de campo comunes incluyen:
La selección del tipo correcto de E/S garantiza una interpretación precisa de la señal y una respuesta confiable del actuador en condiciones operativas dinámicas.
Los sistemas PLC generalmente dependen de tres partes principales que trabajan juntas. En el centro de todo se encuentra la Unidad Central de Procesamiento, o CPU por sus siglas. Este componente ejecuta los programas de control y maneja todas las tareas de red dentro del sistema. Luego están los módulos de Entrada/Salida. Estos pequeños trabajadores toman señales de sensores de temperatura, manómetros y otros dispositivos de campo, y las convierten en algo que la computadora puede entender. También realizan la función inversa, enviando impulsos eléctricos para arrancar motores, abrir válvulas o activar alarmas según lo indicado por la CPU. Por último, pero ciertamente no menos importante, está la unidad de fuente de alimentación. La mayoría de las instalaciones industriales necesitan un suministro estable de 24 voltios en corriente continua para mantener todo funcionando sin problemas. Las unidades de buena calidad incluyen circuitos de respaldo para evitar fallos cuando ocurren caídas inesperadas de voltaje en fábricas donde maquinaria pesada se enciende y apaga constantemente cerca.
| Configuración | Mejor para | Ventaja Principal |
|---|---|---|
| PLC Fijos | Procesos simples y estáticos | Preconfigurado, rentable |
| PLC modulares | Operaciones escalables | E/S personalizable mediante tarjetas adicionales |
| PLC montados en bastidor | Automatización a gran escala | Arquitectura de control centralizado |
La elección de la configuración adecuada depende de la complejidad del proceso, los planes de expansión y las limitaciones físicas.
Cuando se trata de PLC modulares, estos equipos pueden manejar hasta 64 expansiones de E/S en las configuraciones de gama alta, lo que los hace prácticamente ideales para sistemas que crecen con el tiempo. Por otro lado, los PLC fijos reducen los costos iniciales en aproximadamente un 30 a incluso un 45 por ciento para instalaciones más pequeñas, pero una vez instalados, no hay posibilidad de expansión cuando esta se vuelve necesaria. El espacio también importa. Según la mayoría de los instaladores con los que hemos hablado, los sistemas montados en bastidor ocupan aproximadamente el doble de espacio que las opciones compactas en los paneles de control. Pero aquí está el detalle: aunque ocupan más espacio, las unidades montadas en bastidor facilitan mucho el mantenimiento, ya que todo está agrupado y los técnicos pueden acceder a los componentes sin tener que desmontar paredes o armarios solo para reparar una pequeña pieza.
El año pasado, un importante fabricante de piezas para automóviles comenzó a utilizar sistemas modulares de PLC en sus líneas de producción de baterías para vehículos eléctricos. Esta configuración les permitió incorporar gradualmente robots de soldadura láser y sensores inteligentes de control de calidad durante aproximadamente tres años, manteniendo el funcionamiento normal de la fábrica. En lugar de eliminar sistemas antiguos completos, este enfoque redujo los gastos de reacondicionamiento casi a la mitad, según informes internos. Solo los ahorros respaldan firmemente la importancia creciente de soluciones de hardware flexibles en los entornos modernos de fabricación de alta tecnología.
La programación de controladores lógicos programables (PLC) básicamente convierte lo que las máquinas necesitan hacer en instrucciones reales que pueden seguir. El sistema toma información de sensores en tiempo real, cosas como qué tan caliente se está poniendo algo o si un interruptor específico ha sido activado, y luego toma decisiones sobre qué acciones realizar a continuación. Piense en motores que se encienden cuando es necesario o válvulas que se cierran en el momento preciso. Los ingenieros utilizan paquetes de software especiales para construir estos sistemas de control según las necesidades de la fábrica. Algunas configuraciones se centran en asegurar que los productos avancen por las líneas de empaque lo más rápido posible, mientras que otras requieren una precisión extrema para tareas como el ensamblaje de piezas de automóviles, donde incluso errores pequeños importan mucho.
La elección del lenguaje de programación afecta la velocidad de desarrollo, la flexibilidad y la facilidad de mantenimiento:
La selección del lenguaje debe coincidir con la experiencia del equipo y la complejidad de la aplicación.
Todos los PLC operan mediante un ciclo continuo de exploración:
Optimizar el tiempo de exploración—a menudo reducido a milisegundos en sistemas de alta velocidad—asegura un control ágil y determinista, minimizando retrasos en entornos de producción rápidos.
Conseguir una buena integración de entradas/salidas realmente depende de cómo esté dispuesta la instalación eléctrica desde el principio. Los módulos analógicos se encargan de esas señales variables que provienen de elementos como termopares, mientras que los digitales se conectan con todo tipo de sensores de encendido/apagado, incluyendo esos interruptores de límite que vemos en todas partes. A la hora de combatir las interferencias electromagnéticas, los cables apantallados trenzados funcionan mejor cuando se combinan con algún tipo de aislamiento galvánico. Según este informe de análisis sectorial del año pasado, aproximadamente el 17 por ciento de todos los problemas de señal en fábricas se deben en realidad a problemas de EMI. Tampoco olvide los protectores contra sobretensiones; son esenciales para mantener seguros esos valiosos componentes del PLC frente a subidas inesperadas de tensión y cortocircuitos dañinos que pueden detener por completo las operaciones.
Varios equipos de campo como sensores fotoeléctricos, válvulas solenoides y esos dispositivos VFD se conectan al PLC a través de módulos de E/S. Investigaciones recientes indican que aproximadamente el 74 por ciento de los problemas en sistemas de automatización se deben a incompatibilidades entre sensores y actuadores, lo que significa que verificar la compatibilidad entre componentes es bastante importante. Por ejemplo, los transductores de presión normalmente deben conectarse a un módulo de entrada analógica configurado para bucles de corriente cuando se manejan señales de 4 a 20 mA. Mientras tanto, la mayoría de los sensores de proximidad inductivos simplemente se conectan a entradas digitales estándar de 24 V CC. Hacer estas conexiones correctamente marca toda la diferencia en la confiabilidad del sistema.
Cuando las señales comienzan a fallar, una mala conexión a tierra suele estar entre las principales causas del problema. El método del punto estrella funciona maravillas en este caso, ya que todos los cables blindados se conectan a un único punto del chasis, en lugar de pasar por múltiples puntos como ocurre en las configuraciones de encadenamiento. Según el Industrial Automation Journal del año pasado, este enfoque reduce aproximadamente dos terceras partes los problemas de bucles de tierra. En lugares donde hay mucho ruido eléctrico presente, cambiar a conexiones de fibra óptica entre las unidades de entrada/salida remotas y la unidad de procesamiento principal ayuda mucho a mantener la señal limpia. Y tampoco olvide agregar esos pequeños anillos magnéticos llamados núcleos de ferrita a los cables Ethernet. Además, separar las líneas de alimentación de los cables de control en conductos diferentes marca una gran diferencia al intentar mantener una comunicación confiable en sistemas complejos.
Según Automation World del año pasado, las pruebas exhaustivas reducen aproximadamente en dos terceras partes los problemas de implementación en entornos industriales. En lo que respecta a la implementación real, las simulaciones por bucle de hardware son muy eficaces para verificar el rendimiento de los sistemas de control ante condiciones reales del mundo. Mientras tanto, diversos métodos de diagnóstico, como forzar estados de entrada/salida o establecer puntos de interrupción, pueden detectar esos molestos problemas de temporización que a menudo pasan desapercibidos. Por ejemplo, en las líneas de producción automotriz, muchas empresas automotrices prueban cientos de situaciones de fallo diferentes antes incluso de considerar poner sus estaciones de soldadura robóticas en modo de producción completo. Este enfoque ayuda a detectar casi cualquier problema posible con antelación.
Las instalaciones que operan en áreas de alto riesgo, como las plantas de procesamiento químico, deben cumplir con los estándares SIL 3 en cuanto a integridad de seguridad. Esto generalmente implica configurar sistemas con procesadores de respaldo junto con configuraciones de entrada/salida de doble canal. Considere una planta de fabricación de acero donde hubo un problema grave por el atasco de un sistema transportador. El sistema de parada de emergencia se activó casi instantáneamente, deteniendo todas las partes móviles en tan solo 12 milisegundos. Esa rápida respuesta les evitó daños en equipos por valor de aproximadamente 2,1 millones de dólares. En lo que respecta a protocolos de seguridad, es esencial seguir tanto las directrices ISO 13849 como las IEC 62061. Lo más importante es que esos procedimientos críticos de apagado deben funcionar lo suficientemente rápido como para responder a situaciones peligrosas en menos de 100 milisegundos como máximo.
| Protocolo | Velocidad | Topología | Casos de Uso Industrial |
|---|---|---|---|
| Modbus RTU | 19,2 kbps | Maestro-Esclavo | HVAC, redes de sensores heredadas |
| PROFIBUS DP | 12 Mbps | El sistema de control de la velocidad | Control de motores, válvulas de proceso |
| EtherNet/IP | 100 Mbps | Estrella | Sistemas de visión, integración con MES |
Cada protocolo ofrece compensaciones en velocidad, topología y compatibilidad, lo que influye en su idoneidad para aplicaciones específicas.
Cuando la tecnología operativa se conecta a los sistemas de TI, se abren nuevas posibilidades para el mantenimiento predictivo mediante el flujo continuo de datos PLC hacia plataformas analíticas en la nube. Un análisis reciente de las operaciones fabriles mostró algo bastante impresionante: según investigaciones del año pasado, las plantas con redes combinadas detectaron defectos un 89 por ciento más rápido al aplicar inteligencia artificial a sus procesos de diagnóstico en tiempo real. Sin embargo, configurar esto correctamente no es sencillo. La seguridad sigue siendo una gran preocupación, por lo que la mayoría de las implementaciones requieren túneles cifrados de red privada virtual, controles de acceso basados en roles de usuario, además de puertas de enlace OPC UA que permiten a los ingenieros monitorear aspectos de forma remota sin comprometer la estabilidad de toda la red. Estas medidas de seguridad pueden parecer un trabajo adicional, pero son esenciales para mantener protegidos los datos industriales sensibles.
Los componentes principales de un sistema de control PLC son la Unidad Central de Procesamiento (CPU), los módulos de Entrada/Salida (I/O) y una unidad de fuente de alimentación.
Existen tres tipos principales de PLC: PLC fijo, PLC modular y PLC montado en bastidor, cada uno adecuado para diferentes escalas y complejidades de operaciones.
El Ladder Logic se utiliza comúnmente porque se asemeja a los circuitos de relés tradicionales, lo que lo hace intuitivo para electricistas y técnicos de mantenimiento.
El ciclo de exploración del PLC incluye tres fases: Escaneo de entradas, Ejecución de lógica y Actualización de salidas, todas ellas garantizan un procesamiento y control eficientes.
La protección contra EMI es crucial en la integración de I/O ya que evita las interferencias electromagnéticas que pueden causar problemas significativos de señal en los sistemas de automatización.
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