Seleccionar el controlador de automatización industrial adecuado: guía completa

Al elegir un controlador de automatización industrial, hay varios términos importantes a considerar, no solo aquellos que tienen las palabras PLC, PAC o IPC en ellos. Los requisitos de la aplicación deben definirse claramente, mientras que las necesidades de escalabilidad deben tenerse en cuenta antes de tomar una decisión.

Para empezar, dividir las necesidades de operación del equipo es un buen punto de partida, lo que ayudará a los usuarios a evaluar el rango de controladores especificados por los constructores de máquinas. El sistema de automatización puede proporcionar una solución integral o control individual, dependiendo de cómo encaje en el escenario de manufactura.

Un Controlador Lógico Programable (PLC), Controlador de Automatización Programable (PAC) o Computadora Personal Industrial (IPC) puede proporcionar control para una sola estación, máquina, línea de ensamblaje o incluso toda la planta. En el caso de un sistema de manufactura integrado, un solo controlador grande con bases de entrada/salida remotas, comunicándose vía Ethernet, puede usarse para proporcionar control de extremo a extremo. Sin embargo, puede haber momentos en que la aplicación requiera un enfoque modular, donde descomponer el sistema de automatización en secciones lógicas sería más adecuado. En tales casos, la automatización se compartimenta y se distribuye entre PLCs más pequeños, dependiendo de la carga de trabajo.

Algunos expertos en automatización ven estas dos decisiones como mundos aparte, concluyendo que ambas requieren plataformas diferentes. Pero esto no tiene por qué ser cierto. Hay algunos fabricantes que tienen controladores que ofrecen diferentes opciones de tamaño, todos compatibles con el mismo software de programación. La presencia de un único entorno de programación significa que la flexibilidad puede inculcarse en el sistema, mientras que los costes asociados con el desarrollo de programas pueden reducirse, ya que los proyectos pueden portarse de un PLC a otro.

La decisión desalentadora, sin embargo, es decidir si se debe emplear un PLC grande para un solo programa o si se debe usar un enfoque modular. La decisión es mucho más compleja que elegir un PLC, PAC o controlador basado en PC. Considerar los siguientes factores puede ayudar a construir una buena base:

• Sistema nuevo o existente
• Dispositivos discretos
• Problemas ambientales
• Control de lazo
• Dispositivos analógicos
• Módulos especializados
• Ubicaciones de E/S
• Comunicación
• Programación

Si el sistema es nuevo o existente puede ayudar a aclarar muchas confusiones e influir en los factores restantes para la selección. Si ya hay productos instalados, la compatibilidad se vuelve de importancia primordial, neutralizando el número de productos que no sirven.

La elección del controlador también depende de las condiciones ambientales. Si hay condiciones extremas, como las relacionadas con temperatura, humedad, polvo, etc., el controlador necesitaría cumplir con estas para permanecer operativo.

Número, tipos y ubicación de E/S

Definir el conteo de E/S y tipos de dispositivos de campo es lo siguiente en la lista. Comienza listando todas las entradas y salidas discretas en una hoja de cálculo, definiendo cada tipo, ej. sensor digital, sensor analógico, actuador, válvula de control, etc. Los parámetros que deben anotarse incluyen protocolo de comunicación, equivalente de potencia, etc.

El tipo y número de puntos de E/S tiene un gran impacto en la selección de la plataforma de control. Los constructores de máquinas a menudo cometen el error de elegir controladores que satisfacen necesidades inmediatas sin dejar espacio para expansión futura. Al incluir espacio para expansión, al menos un 20 %, las E/S pueden evitar crisis mayores en el futuro. También hay algunos controladores que tienen tipos limitados de E/S, como analógicas, entradas de alta velocidad, etc. Esto también puede convertirse en un problema más adelante.

La hoja de cálculo mencionada anteriormente debería incorporar las funciones y nivel de señal de todos los dispositivos analógicos, incluyendo totales individuales para lazo de corriente/voltaje, entradas de detector de temperatura por resistencia, termopares, etc. Las especificaciones del controlador deben coincidir con estos requisitos para que todas las entradas y salidas analógicas sean soportadas, así como sus tipos de señal.

Además, las E/S especializadas también deben listarse en la hoja de cálculo. Estas pueden incluir, pero no se limitan a, entradas/salidas de alta velocidad, contadores, relojes en tiempo real y motores servo/paso a paso. Puede haber controladores que no tengan funcionalidades especializadas, así que asegúrate de realizar un análisis exhaustivo antes de tomar tu decisión. Entender las capacidades del controlador y los requisitos de la aplicación es esencial.

La ubicación física de los terminales de E/S también debe definirse, con respecto a los dispositivos de campo, y anotarse en la hoja de cálculo. Desglosar estos requisitos en módulos más pequeños ayudará a entender las necesidades de E/S locales y remotas, lo que a su vez ayudará a determinar qué protocolos de comunicación en tiempo real se necesitan. Hay algunas instalaciones donde se prefiere la localidad, mientras que otras dependen fuertemente de E/S remotas.

Si la distancia entre los controladores y subsistemas es considerable, la E/S remota sería una buena opción en lugar de pasar por el calvario de cablear cada dispositivo de campo. Además, los métodos y velocidades de comunicación deben ser soportados, ya sea Serial o E/S basadas en Ethernet. En el entorno industrial actual, protocolos Ethernet como EtherNet/IP se están volviendo populares junto con versiones desarrolladas específicamente de protocolos de código abierto como Modbus.

Comunicaciones

Las comunicaciones entre dispositivos periféricos, E/S distribuidas, PLCs y sistemas empresariales pueden ser una necesidad para algunas plantas. El alcance de estas debe definirse temprano, con la consideración de que las cosas se volverán más complejas a medida que avances. Algunos controladores pueden ofrecer solo 1-2 puertos, uno de los cuales se reservará para programación, mientras que otros pueden no soportar protocolos específicos requeridos para aplicaciones críticas.

Las comunicaciones que tendrán lugar entre el controlador y HMIs o dispositivos de campo también deben especificarse. El advenimiento del Internet de las Cosas ha hecho esencial tener opciones de comunicación abiertas. Por tanto, debe asegurarse de que haya puertos Ethernet, seriales, USB adicionales disponibles en el controlador.

La especificación de protocolos Ethernet como Modbus TCP, Ethernet/IP, Profibus, etc. debe realizarse, tanto para requisitos actuales como para expansión futura.

Hardware

Consideraciones de hardware comunes que deben hacerse incluyen velocidad de escaneo, cantidad de memoria y respaldo de batería. El controlador debe tener suficiente memoria de sistema para soportar tanto requisitos de programa como de datos. Estas estimaciones pueden hacerse calculando el número de dispositivos en el sistema. La memoria de datos se usa para manipulación dinámica de datos y almacenamiento de variables, ejemplos siendo setpoints preestablecidos, banderas internas en temporizadores y tiempo/conteo acumulado.

El tamaño de la tabla de datos puede hincharse si hay necesidad de almacenar datos históricos en el controlador. La necesidad de registro de datos, interfaces a HMI/SCADA, métodos de acceso y bases de datos históricas deben especificarse claramente, mientras que en un escenario IIoT, redes, definición de protocolo y necesidades de memoria también se vuelven importantes.

Los tipos de instrucciones y el tamaño del programa en sí pueden afectar las necesidades de memoria. Si el programa tiene varias secuencias, funciones de control sofisticadas y lógicas de fallo, esto puede requerir mayor memoria. Los requisitos pueden estimarse basándose en los peldaños del programa y archivos de datos. Las especificaciones del controlador también deben estudiarse, ya que algunos tienen programación basada en tag-names mientras que otros tienen tablas de datos fijas pero expansibles.

La cantidad de memoria consumida por programas y tablas de datos depende del modelo del controlador. Una buena suposición es que cada dispositivo de E/S discreto utiliza 5-100 palabras de memoria, mientras que E/S analógica utiliza 25-500 palabras. El amplio rango puede dificultar la estimación para programas complejos. Un mejor enfoque sería escribir algunos bloques de código y estudiar el uso de memoria.

Puede haber aplicaciones que necesiten tiempo de escaneo rápido, y la velocidad de CPU del controlador y velocidad de ejecución de instrucciones son factores perjudiciales con respecto a esto.

Software

Casi la mitad del proyecto depende de la calidad de la programación de software, que a su vez depende del software proporcionado por el fabricante. Las siguientes consideraciones deben hacerse al seleccionar software de programación de controlador:

• Facilidad de uso
• Preferencias
• Inversión
• Recursos de formación
• Registro de datos y acceso remoto

La mayoría de controladores a menudo incluyen software de programación gratuito y fácil de usar, conteniendo alrededor de 20 instrucciones como temporizadores, bobinas, contactos, contadores, etc., que son suficientes para aplicaciones pequeñas. Pero a medida que la complejidad de los requisitos aumenta, las cosas pueden volverse problemáticas. Controladores avanzados a menudo incluyen software de programación integral que incorpora una plétora de funciones para asistir a programadores.

La elección del software de programación depende en gran medida de la zona de confort del usuario, lo que la convierte en una decisión subjetiva. Los programadores pueden tener su propia opinión sobre la selección de software, pero a menudo son anulados por la alta dirección que impone un software estándar de programación de controlador y métodos.

Independientemente, no se debería elegir un controlador si no tiene amplia literatura que detalle su software de programación. La mayoría de fabricantes ya se han adaptado a la tendencia de recursos en línea, ofreciendo documentaciones detalladas y creando foros donde programadores pueden intercambiar consultas. Sin embargo, no todos han subido a este tren; así que se deben hacer verificaciones de antecedentes cuidadosas antes de hacer una selección de PLC.

El coste de soporte técnico también debe contabilizarse, ya que puede haber momentos en que la documentación no ayude a superar un problema particular. Hay proveedores que ofrecen servicios gratuitos por tiempo limitado, lo que puede ser útil si se sigue una línea de tiempo respecto al desarrollo del programa.

Una vez desarrollado, el programa debe probarse a fondo, y para hacerlo, el software debe ser visualizable en la forma de una respuesta de lazo PID y perfil de movimiento. Esto permitirá que la simulación se realice en toda su extensión. El software de desarrollo moderno se incorpora con simuladores que permiten pruebas completas sin necesidad de conectar al hardware.

Conclusivamente, deberías abstenerte de adoptar un enfoque talla única, ya sea para software, hardware o comunicaciones. El controlador seleccionado debe cumplir los requisitos de automatización completamente, mientras tiene espacio para avance a medida que los diseños cambian.