El papel de los PLC en el control, la prueba y la medición industriales

Los controladores lógicos programables (PLC) son computadoras industriales que:

• Supervisan y controlan las aplicaciones de automatización industrial.
• Ejecutan tareas relacionadas con las operaciones de prueba y medición.
• Realizan funciones de tipo proceso (incluidas las relacionadas con los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado) más allá del alcance de este artículo.

Los PLC reciben datos de sensores y dispositivos de entrada, los procesan para tomar decisiones basadas en la lógica y emiten instrucciones de control a los sistemas mecánicos o eléctricos. Son un tipo de sistema integrado que combina el procesador y la memoria de la computadora con dispositivos de entrada-salida (ES), al igual que la lógica basada en relés y en PC con la que compiten.

En términos de forma física, los PLC de hoy en día pueden ser cualquier cosa, desde una computadora muy simple con una morfología de chip integrado (IC) hasta una gran colección de subcomponentes de controladores montados en rack y alojados en múltiples chasis. Los PLC más sencillos basados en microcontroladores o los que adoptan la forma de sistema en un chip (SoC) pueden ser extremadamente fiables y funcionar con una entrada de energía muy modesta. En cambio, los PLC más complejos difuminan los límites entre lo que constituye un PLC y las computadoras de uso general para el control industrial en tiempo real... aunque la fiabilidad y el rendimiento en tiempo real siguen destacando para los primeros.

En un principio, los PLC estaban destinados a sustituir directamente la lógica de control cableada basada en relés y secuenciadores de tambor. Estos primeros PLC solo tenían que realizar operaciones básicas transformando las entradas en salidas. Todas las tareas de la máquina que requerían un control proporcional-integral-derivativo (PID) se subcontrataban a la electrónica analógica anexa. En la actualidad, los controles PID y las operaciones más sofisticadas forman parte del conjunto de instrucciones de los PLC.

De hecho, las funciones que se esperan de los PLC han proliferado con el tiempo, de modo que hoy en día muchos PLC son bastante sofisticados y capaces de ejecutar rutinas complicadas y adaptables. La potencia cada vez mayor y la reducción del tamaño de los chips semiconductores (gracias a la ley de Moore) han permitido obtener una inteligencia sin precedentes a partir de controladores más pequeños. Esta tendencia continúa con el soporte integrado de control de movimiento, sistemas de visión y protocolos de comunicación. En el otro extremo del espectro de tamaños de PLC, algunos controladores de automatización programables (PAC) integran un PLC con un PC para sustituir a los PLC y a los sistemas de control propios (que funcionan con lenguajes de programación propios) para determinadas aplicaciones. En la actualidad, cada vez más PLC se integran en interfaces hombre-máquina (HMI).

El entorno digital industrial en el que operan los PLC

La automatización industrial se basa hoy en día en la retroalimentación de las máquinas y en los datos de las operaciones, junto con complejas interconexiones entre dispositivos digitales para:

• Controlar los dispositivos digitales.
• Ejecutar capacidades avanzadas, como las relacionadas con la conectividad IIoT y la reconfigurabilidad de la máquina, por ejemplo.
• Permitir la toma de decisiones humanas sobre diversas condiciones de la máquina y del funcionamiento.
• Mejorar la productividad general y la calidad de las piezas.

Estas instalaciones automatizadas incluyen sistemas de información dispares para almacenar, procesar y servir estos datos.

Los sistemas de planificación de las necesidades de material o de planificación de los recursos de fabricación (MRP) se encargan de la planificación de la producción, la programación, las finanzas y el control de las existencias. En cambio, los sistemas históricos almacenan los datos de las series temporales de los sensores e instrumentos para trazar gráficos que ayuden a los operadores y a los sistemas de gestión a comprender y procesar las tendencias de la automatización. El control de procesos estadísticos (CEP ) es una aplicación histórica.

Las interfaces hombre-máquina (HMI) son paneles de control de máquinas (o módulos que se conectan de forma inalámbrica a dispositivos móviles) que permiten a los operadores humanos ver los datos y emitir órdenes. Los sistemas de control y adquisición de datos (SCADA), estrechamente relacionados con las funciones de la HMI, permiten controlar y supervisar en tiempo real las interacciones entre las máquinas automatizadas y sus HMI e historiadores. Mediante el SCADA, un HMI puede controlar múltiples máquinas... y mostrar datos relacionados con múltiples dispositivos.

Los sistemas de ejecución de la fabricación (MES) incluyen funciones como la programación de operaciones y la recopilación de datos. En cierto modo, puede considerarse que se sitúa entre la planificación de necesidades y el SCADA y que se solapa con ellos.

Los sistemas de planificación de recursos empresariales (ERP) integran los sistemas de información MRP, MES, gestión del ciclo de vida del producto (PLM) y CRM relacionados con la fabricación. Los sistemas ERP pueden ser suites de software monolíticas que se encargan de todas estas funciones... o un sistema ERP central que se interconecta con aplicaciones especializadas de múltiples proveedores. Normalmente, solo la alta dirección interactúa con el ERP, y la mayoría del personal de una organización determinada interactúa con uno de los sistemas que lo componen.

Los autómatas programables suelen funcionar a un nivel inferior a estos sistemas de información. Envían y reciben información hacia y desde máquinas, motores y sensores. También pueden interactuar con el nivel de información superior, enviando datos al historiador o al SCADA, o recibiendo entradas de control del SCADA o del HMI. Los PLC más sofisticados también pueden realizar funciones de SCADA e historiador... e incluso funciones de HMI en un número cada vez mayor de casos.

Figura 1: Los autómatas programables suelen funcionar en un nivel inferior a los sistemas de información de la automatización. (Fuente de la imagen: Jody Muelaner)

Tenga en cuenta que los PLC no solo se dedican a la automatización: También se emplean para controlar los bancos de pruebas (desarrollo de productos) y las tareas de medición en el laboratorio.

• Como se ha descrito anteriormente, la automatización suele hacer hincapié en el diagnóstico y requiere un funcionamiento determinista en tiempo real del PLC para que sea realmente eficaz.
• Por el contrario, los PLC empleados en tareas de medición hacen más hincapié en la ejecución rápida y precisa de la recogida de mediciones y otras formas de adquisición de datos.

Para las tareas de automatización de máquinas, los PLC se basan en el procesamiento en tiempo real, en el que el retardo entre una entrada y la salida de respuesta se mide en milisegundos. Se requiere un sistema operativo en tiempo real (RTOS) para todas las funciones del PLC, excepto las más sencillas. Aunque muchos PLC siguen utilizando sistemas operativos propietarios, cada vez hay más interés por los sistemas operativos estándar abiertos. Un ejemplo: VxWorks es un RTOS propietario que cuenta con una amplia licencia para su uso en el control industrial. Lo utilizan varios de los principales fabricantes de robots, como Kuka y ABB. O una variante de código abierto es FreeRTOS que se distribuye libremente bajo una licencia de código abierto MIT. FreeRTOS incluye varias bibliotecas de Internet de las cosas (IoT) para una amplia gama de aplicaciones automatizadas. Lea más sobre esta opción en el artículo de DigiKey Conecte los diseños de forma rápida y segura a la nube utilizando Amazon FreeRTOS.

Para las tareas de prueba y medición, los PLC se basan en el procesamiento en tiempo real, en el que el retraso entre las mediciones del dispositivo de campo y su recogida se mide en milisegundos. Atrás quedaron los días en que los ingenieros no tenían más remedio que emplear convertidores de interfaz y sistemas de canales de transferencia. Ahora los dispositivos periféricos inteligentes y los conjuntos de E/S han avanzado y simplificado la recogida de señales a través de entradas digitales y analógicas.

Los ingenieros de hoy también tienen más opciones basadas en interfaces estandarizadas y en la compatibilidad entre fabricantes de componentes que pueden servir como componentes interoperables.

Basta con considerar los componentes de E/S con funcionalidad de PLC integrada. Son compatibles con los HMI configurables que ejecutan sistemas operativos Windows o Linux y tienen conectividad Ethernet, pero carecen de opciones de recalibración fáciles o de E/S analógicas para los dispositivos de campo que generan señales analógicas de baja tensión. Dichos componentes de E/S también funcionan con PLCs configurados para recoger datos de dispositivos de E/S remotos... y directamente de sensores a través de sus propias E/S integradas.

Figura 2: Los dispositivos de adquisición de datos (DAQ) multifunción T7 incluyen conectividad Ethernet, USB, wifi y Modbus para trabajar con una amplia gama de dispositivos de campo, así como con HMI y PLC industriales. La conectividad Modbus/TCP, en particular, ofrece la posibilidad de control a través de varias opciones de software y hardware de terceros para la apertura y la flexibilidad, lo que a su vez ofrece a los arquitectos de sistemas industriales, así como a los ingenieros de investigación y desarrollo (I+D), opciones neutrales en cuanto a proveedores para sus aplicaciones de recopilación de datos y automatización. (Fuente de la imagen: LabJack)

Por supuesto, los PLC no son la única opción para la automatización de máquinas o la prueba y medición. A medida que todos los controles industriales se han vuelto más complejos, algunos proveedores han llegado a diferenciar cierto hardware como controladores de automatización programables (PAC) para significar capacidades mejoradas ... y en muchos casos, múltiples procesadores en una sola pieza de hardware. En realidad, los PLC también han experimentado una sofisticación creciente, por lo que no hay una regla rígida sobre cuándo un hardware que ejecuta funciones de PLC constituye un PAC. La mayoría de los PAC integran aspectos de PLC y PC para servir como sistemas de automatización complejos que cuentan con múltiples aplicaciones basadas en PC, así como una HMI y un historiador. Una clara diferenciación es que los PAC son más fáciles de emplear para los desarrolladores, ya que tienen una arquitectura más abierta que los controles tradicionales.

Otra opción actual son los PLC modulares. Están formados por módulos que realizan diferentes funciones. Todos los autómatas programables deben incluir un módulo CPU que incluye el procesador y la memoria para el sistema operativo y el programa. Puede haber un módulo de alimentación independiente y módulos adicionales de entrada/salida (E/S). Un PLC puede incluir módulos de E/S digitales y analógicos. Puede ser necesario otro módulo para las comunicaciones de red.

El PLC puede ser integrado con todos los módulos en una sola caja o modular. Los PLC integrados son más compactos, pero los PLC modulares son más versátiles, ya que suelen permitir conectar fácilmente varios módulos entre sí, ya sea conectándolos directamente entre sí o utilizando un bastidor común como bus. Los módulos se direccionan según su posición en el bus. Aunque el aspecto del soporte físico del bastidor puede ajustarse a una norma como la DIN, el bus de datos suele ser propiedad del fabricante del PLC.

El papel de los PLC en el IoT

A medida que crece el interés por la Industria 4.0 (también llamada IIoT), los usuarios industriales esperan cada vez más tener la opción de conectar sus controladores industriales a las redes de la empresa mediante protocolos de internet. Se trata de una comunicación que utiliza el Protocolo de Control de Transmisión (TCP) y el Protocolo de Internet (IP) o simplemente TCP/IP. Sin embargo, la tendencia de la IIoT no consiste solo en utilizar protocolos de Internet... también se trata de aprendizaje automático y big data. A medida que los PLC se vuelven más potentes (y los controles más avanzados convierten las funciones del PLC en una característica), más funciones del host, como los sistemas de visión. La conectividad a Internet también permite a los ingenieros (a través de los PLC del sistema) aprovechar los algoritmos basados en la nube para el procesamiento de conjuntos de datos extremadamente grandes -también llamados big data- para el aprendizaje automático.

En las aplicaciones prácticas, Ethernet para la tecnología de automatización de control (EtherCAT) sobresale para dicha funcionalidad de PLC IIoT. Se trata de un protocolo de comunicaciones basado en Ethernet adecuado para aplicaciones de control en tiempo real con tiempos de ciclo inferiores a 0.1 mseg: la tecnología de Ethernet industrial más rápida con capacidad de sincronización con precisión de nanosegundos. Otra ventaja importante es la flexibilidad de la topología de la red EtherCAT, que funciona sin concentradores ni conmutadores de red. Los dispositivos pueden encadenarse simplemente en una configuración de anillo, línea, estrella o árbol. PROFINET es un estándar de la competencia que ofrece capacidades similares.

Conclusión:

La tendencia actual hacia una recogida de datos y un control industrial cada vez más sofisticados continuará. Esto significa que los PLC para la automatización industrial y la prueba y medición se parecerán cada vez más a los PAC... y se integrarán con SCADA e historiadores. Los protocolos de Internet y los estándares abiertos, como EtherCAT, también están siendo adoptados para las comunicaciones de los PLC. Esta conectividad estimulará a su vez un mayor uso de las tecnologías de la Industria 4.0, como el análisis de big data y el aprendizaje automático, facilitado en parte por la capacidad de distribuir la potencia de procesamiento y la memoria necesarias:

• Informática en la nube
• Dispositivos de borde capaces de procesar datos

Además de estas tendencias, seguirá siendo necesario que los PLC más tradicionales ejecuten funciones de prueba y medición relativamente sencillas, así como de control, con la máxima fiabilidad y eficiencia energética.