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Electrónica embedded para equipos industriales o “Low Cost PLCs”

Los PLC (Programmable Logic Controller) son dispositivos electrónicos pensados para la automatización y el control de máquinas. Las aplicaciones son muy diversas y van desde sencillos controles para el tráfico a sistemas complejos como los que se desarrollan en una refinería. Son el cerebro que realiza las funciones programadas previamente por el usuario. Todas las aplicaciones se basan en leer entradas y en función de su estado, actuar sobre salidas. De todo este procesamiento se encarga el procesador o CPU (Central Processor Unit) que gobierna el PLC. La siguiente figura muestra el diagrama de bloques de cualquier sistema basado en PLC. Las entradas pueden ser analógicas o digitales. Las analógicas son sensores que nos dan un valor de salida 0-5V/0-10V ó 0-20mA/4-20mA dependiendo de su lectura. Como ejemplo, un sensor de presión o temperatura.

Las entradas digitales provienen de sensores que nos dan un “on/off” (es decir, 1 ó 0) dependiendo de su estado. Ejemplo de este tipo de sensores sería un sensor que detecta de la presencia de algún material por su peso. El procesador va leyendo de forma periódica las entradas y actuando sobre las salidas. Las salidas digitales podrían ser relés que dan alimentación a motores o bombas, y las salidas analógicas actúan sobre dispositivos que pueden ser controlados de forma proporcional a la salida, por ejemplo, un ventilador funcionando a baja o a máxima potencia dependiendo de las circunstancias. Los PLCs en general son dispositivos caros y no exageramos si decimos que su coste puede rondar los 800-1000 Euros. Hay aplicaciones que este precio puede ser excesivo si hablamos de pequeñas máquinas o pequeños procesos industriales sencillos. Otra de las limitaciones de los PLC convencionales es la programación secuencial en la que se basan. Pongamos, por ejemplo, que deseamos medir la velocidad de un motor que va a 12.000 rpm (12.000/60=200, señal de 200 Hz) y debido al tamaño del código del propio programa, necesita 10ms para completar un ciclo completo, es decir, que la frecuencia de trabajo es de 100Hz.

Este PLC no sería capaz de medir correctamente la velocidad del motor con lo que necesitaríamos añadir un módulo extra para realizar esta función y que se comunique con el PLC para darle el valor medido, ocasionando un aumento considerable del coste. Para estos casos, el desarrollo de una electrónica embebida o sistema integrado con las funciones meramente necesarias puede ser una alternativa. Un sistema embedded o integrado se define como un conjunto dedicado de hardware y software que trabaja para proporcionar una funcionalidad específica. Desde el punto de vista de un diseñador electrónico, consta de un controlador, chips de memoria, circuitos de administración de energía, módulos de comunicación y funcionalidad de entrada/salida. Esto puede sonar similar a un PLC, pero hay diferencias entre ellos. A continuación, hacemos un pequeño esbozo de las diferencias resaltando las ventajas y desventajas de las dos alternativas.

Modularidad:

Una de las ventajas de los PLCs convencionales es su modularidad, de forma que son fácilmente expandibles comprando módulos que nos permitan añadir más entradas y salidas. Esto puede ser también contemplado a la hora de la realización de una electrónica a medida. Basta considerar en el diseño un bus de comunicaciones multipunto y asignar una dirección única a cada tarjeta y así podremos añadir varias tarjetas en paralelo.

Programación:

la programación de PLC generalmente toma menos tiempo ya que vienen preparados para ser programados de forma visual mediante diagramas de escalera (o diagramas de contacto) fáciles de entender. Los sistemas integrados están codificados en lenguajes de programación de alto nivel, como C, y su firmware lleva más tiempo en ser escrito. Programar en C (u otro lenguaje de alto nivel) nos ofrece sacar el máximo partido de las funcionalidades disponibles del nuevo sistema. Además, si nuestro sistema tiene un control o algoritmo propio de control, esta opción nos permite implementarlo de forma segura y eficiente. Coste, quizá la más importante de las diferencias. Ya se ha comentado que los PLCs suelen ser caros y más si son de fabricantes de renombre. En general un PLC constará de varios módulos y cada módulo tendrá un coste no despreciable. Una electrónica embebida disminuirá el coste fundamentalmente porque todo lo necesario estará en una sola tarjeta. HMI (Human Machine Interface), para un sistema PLC será necesario añadir un módulo más con la pantalla táctil correspondiente. En un sistema embedded se puede añadir fácilmente, a través de un puerto de comunicaciones RS- 232/485, seleccionando en el mercado un display de las características que se desee (tamaño, touch panel, etc.). Un ejemplo sería una máquina de vending, en la que las acciones a realizar son ordenadas desde el HMI.

Imagen innovadora.

Si nos decidimos por abordar el desarrollo de una electrónica embedded, otra ventaja, esta vez, digamos inmaterial, es la imagen que se gana como empresa innovadora al poseer un sistema electrónico propio y la electrónica estar etiquetada con nuestro propio logo. No todo son ventajas, también tiene sus inconvenientes. Mientras que los PLCs tradicionales vienen con sus carcasas y de esta forma protegidos mecánicamente, la electrónica que desarrollemos a medida tendrá que ser adaptada a la máquina y si es necesario protegerla de los agentes externos. Otra desventaja, quizá la más importante, es que uno tiene que estar dispuesto a invertir energía, tiempo y dinero en la creación del mismo. La redacción de unos requisitos es el mecanismo que se utiliza tradicionalmente para explicar al desarrollador lo que el controlador debe hacer. Este proceso, en general se subestima, ya que el impulsor del proyecto lo tiene en la cabeza y no le da valor a ponerlo por escrito, pero esto, evidentemente, no es suficiente, hay que comunicarlo al desarrollador de forma clara y eficaz.

Hay soluciones SOC (System-On- Chip, por ejemplo, familia PSOC de Cypress) particularmente interesantes para la realización de sistemas integrados industriales que poseen en un mismo chip, la CPU, bloques analógicos configurables (comparadores, amplificadores operaciones, ADCs, DACs) y bloques digitales programables (PWMs, contadores, timers, encoders, etc.). Con estos componentes integrados en un único encapsulado se pueden desarrollar soluciones que abaratan la aplicación necesaria. Además, se pueden añadir comunicaciones cableadas (RS-232, RS-485, ethernet) o Wireless añadiendo módulos con las comunicaciones deseadas (WIFI, Bluetooth, GPRS…) ya testeados y listos para ser enchufados. Las comunicaciones Wireless nos introducen en el mundo del IOT, pudiendo subir los datos recopilados a la nube y operar en consecuencia.

En resumen, si la aplicación industrial necesita un ahorro de costes sin perder funcionalidad y ofreciendo versatilidad y el número de entradas y salidas es limitado, el desarrollo de una electrónica embedded a medida puede ser una opción a considerar. Cerro Electronic Design ha desarrollado la tarjeta CollineIO basada en esta filosofía, ofreciendo, 8 entradas digitales, 2 entradas para contar pulsos (hasta 5kHz), 8 salidas digitales, 4 entradas analógicas (0-5V/0-10V ó 0-20mA configurables mediante microswich), 3 salidas analógicas (0-5V/0-10V ó 0-20mA configurables) y 3 entradas para PT100 dedicadas. Expandible hasta 8 tarjetas en el mismo bus. Disponer de una electrónica de estas características permite acortar el tiempo y coste de desarrollo al estar ya hecho parte del trabajo y quizá solo sea necesario adaptarla a la aplicación concreta. Más información en www.cerroelectronic.com. Si quieres ponerte en contacto con nosotros para hacernos cualquier tipo de comentario, estaremos encantados de atenderte en: info@cerroelectronic.com.

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