Automatismo y autómatas programables
Automatizar es lograr que un proceso se ejecute solo, de manera repetible y verificable. El autómata programable es la herramienta que hizo que eso dejara de ser un tablero de relés imposible de modificar y pasara a ser un programa.
01Qué es un sistema automático
La acción se aplica sin comprobar el resultado: un temporizador que abre una válvula treinta segundos, un motor que gira mientras haya orden de marcha.
Es simple y barato, y sirve cuando el proceso es muy repetible. Si algo cambia —la presión, la carga, la temperatura ambiente— el resultado cambia y nadie se entera.
Se mide la variable, se compara con la consigna y se actúa sobre la diferencia. El sistema se corrige solo ante perturbaciones y desgaste.
Cuesta un sensor y algo de complejidad, y a cambio da un comportamiento estable y repetible. Es la base de todo control de proceso, y se desarrolla en controladores PID.
| Parte del sistema | Función |
|---|---|
| Proceso | Lo que se quiere controlar: un horno, una cinta, una línea de llenado. |
| Sensores y transductores | Convierten el estado del proceso en señales eléctricas que el control pueda leer. |
| Unidad de control | Decide qué hacer. Puede ser un contactor, un temporizador neumático, un microcontrolador o un PLC. |
| Actuadores | Aplican la acción sobre el proceso: motores, válvulas, resistencias, cilindros. |
| Interfaz de operación | Botonera, señalización, pantalla. Es por donde una persona da órdenes y ve qué pasa. |
| Seguridad | Paradas de emergencia, enclavamientos y protecciones. Independientes del control. |
02Con qué se puede automatizar
| Tecnología | Cuándo conviene | Límites |
|---|---|---|
| Lógica cableada con relés y contactores | Automatismos muy chicos y fijos: un arranque directo, una inversión de giro. | Cualquier cambio implica recablear. Diagnóstico difícil y mucho mantenimiento mecánico. |
| Neumática y lógica neumática | Ambientes con riesgo de explosión, mucha humedad o donde ya hay aire comprimido. | Lenta, ruidosa y difícil de modificar. Se desarrolla en neumática e hidráulica. |
| Electrónica cableada | Funciones fijas y rápidas, o de muy alto volumen de producción. | Poca flexibilidad. Rediseñar es rehacer la placa. |
| Microcontrolador | Producto propio, en serie, donde el costo por unidad manda. | Hay que diseñar todo: entradas, salidas, protecciones, gabinete. Sirve para un producto, no para una planta. |
| PLC | Automatización industrial: E/S robustas ya resueltas, programación estándar, mantenimiento por terceros. | Costo por unidad alto. Para diez piezas, es la herramienta equivocada. |
| PC industrial y SCADA | Supervisión, registro histórico, procesos complejos y muchas variables. | Menos determinista y más costoso. Se apoya siempre en PLC abajo. |
Para tres entradas y dos salidas en una máquina única, un par de relés o un microcontrolador cuestan una fracción y funcionan igual. El PLC se justifica cuando hay muchas señales, cuando el automatismo va a cambiar, cuando la planta ya tiene una marca estandarizada, o cuando el mantenimiento lo va a hacer alguien que no lo diseñó. Ese último punto es el que más pesa en la industria real.
03El autómata programable
En 1968, General Motors pidió un reemplazo para sus tableros de relés: cada cambio de modelo obligaba a recablear miles de contactos y detenía la línea durante semanas. El pedido era claro: un equipo reprogramable, que resistiera el ambiente industrial y que pudieran mantener los mismos electricistas, sin saber programar.
De ahí salieron los primeros autómatas, y de ese último requisito salió el diagrama de contactos: un lenguaje que se dibuja igual que los esquemas de relés que la gente de planta ya sabía leer. Por eso sigue siendo, casi sesenta años después, el lenguaje más usado en la industria.
| Ventaja frente a la lógica cableada | En qué se nota |
|---|---|
| Flexibilidad | Cambiar el automatismo es cambiar el programa, no el cableado. |
| Espacio | Un PLC chico reemplaza decenas de relés y temporizadores. |
| Diagnóstico | Se ve el estado de cada entrada y cada salida en línea, y por qué una salida no se activa. |
| Funciones | Temporizadores, contadores, cálculos, comunicación y registro, sin agregar hardware. |
| Confiabilidad | Sin contactos móviles que se peguen o se piquen en la lógica. |
| Documentación | El programa comentado es la documentación, y viaja con la máquina. |
| Formato | E/S típicas | Uso |
|---|---|---|
| Nano o micro | 8 a 20 | Máquinas simples, bombas, portones, tableros chicos. Todo en un bloque. |
| Compacto | 20 a 60 | Con posibilidad de agregar módulos de expansión. Es el más común. |
| Modular | cientos | Bastidor con fuente, CPU y módulos a elección. Plantas y procesos grandes. |
04El ciclo de exploración
| Fase | Qué ocurre |
|---|---|
| 1 | Lectura de entradas: el estado físico de todas las entradas se copia a una zona de memoria, la imagen de proceso. |
| 2 | Ejecución del programa: se recorre de principio a fin, leyendo siempre de la imagen, nunca del terminal físico. |
| 3 | Escritura de salidas: la imagen de salidas se vuelca de golpe a los terminales físicos. |
| 4 | Tareas del sistema: comunicación, autodiagnóstico, perro guardián. Y vuelve a la fase 1. |
- Hay un retardo: entre que una entrada cambia y la salida responde puede pasar hasta dos veces el tiempo de ciclo. Con ciclos de 1 a 10 ms alcanza para casi todo, pero no para un pulso de 200 µs: eso necesita una entrada rápida o una interrupción.
- El orden importa: si una salida se escribe en dos lugares del programa, gana la última, porque es la que queda en la imagen al terminar el ciclo. Es el error más común de quien viene de la lógica cableada, donde todo ocurre a la vez.
- Las entradas no cambian durante el ciclo: la lógica trabaja sobre una foto coherente, lo que evita comportamientos erráticos y hace el programa predecible.
Una cinta transporta piezas a 0,5 m/s y un sensor detecta cada pieza para activar un expulsor. Las piezas miden 40 mm. El PLC tiene un tiempo de ciclo de 8 ms.
- Cada pieza tapa el sensor durante 0,040 m / 0,5 m/s = 80 ms.
- El peor caso de detección son dos ciclos: 16 ms. Sobra tiempo.
- Pero si la cinta se acelerara a 4 m/s, el pulso duraría 10 ms y podría perderse entre dos lecturas. Ahí ya hace falta una entrada rápida con captura por hardware.
Esa cuenta —duración del evento contra tiempo de ciclo— es la primera verificación de cualquier automatismo, y la que más se olvida.
05En el laboratorio
Resolver un arranque con paro y enclavamiento primero con relés y después con PLC. Cronometrar cuánto lleva cada montaje y, sobre todo, cuánto lleva modificar el funcionamiento después: agregar un segundo pulsador de paro y una señalización. La diferencia es el argumento del PLC.
Escribir un programa que invierta una salida en cada exploración y medir su frecuencia con el osciloscopio: el período es dos veces el tiempo de ciclo. Agregar bloques al programa y ver cómo crece. Comparar con el valor que informa el propio PLC.
Generar pulsos cada vez más cortos en una entrada y verificar a partir de qué duración el PLC deja de detectarlos. Contrastar el resultado con el tiempo de ciclo medido y con el filtro de entrada configurado.
Escribir a propósito un programa donde una misma salida se active en un lugar y se desactive en otro. Observar que sólo vale la última instrucción, y verificarlo en línea con el monitoreo del programa. Es el error que más tiempo hace perder.
06Errores frecuentes
| Error | Consecuencia |
|---|---|
| Pensar el programa como si todo ocurriera a la vez | El PLC ejecuta en orden, de arriba abajo. Lo último escrito es lo que vale. |
| Escribir la misma salida en varios lugares | Sólo actúa la última: la salida parece «no funcionar». |
| Ignorar el tiempo de ciclo | Se pierden eventos rápidos y el diagnóstico apunta al sensor, que está sano. |
| Poner la parada de emergencia sólo en el programa | Si la CPU falla, no hay parada. Debe cortar la potencia por hardware. |
| Elegir PLC para un automatismo de tres señales | Costo injustificado frente a unos relés o un microcontrolador. |
| Programa sin comentarios ni nombres | Nadie puede mantenerlo, y el programa era justamente la documentación. |
| Confundir lazo abierto con lazo cerrado | Se espera que el sistema corrija perturbaciones que en realidad nunca mide. |
07Autoevaluación
¿Qué diferencia hay entre lazo abierto y lazo cerrado?
En lazo abierto se aplica la acción sin comprobar el resultado; en lazo cerrado se mide la variable, se compara con la consigna y se actúa sobre la diferencia, de modo que las perturbaciones se corrigen solas.
¿Por qué apareció el PLC?
Porque en 1968 General Motors necesitaba reemplazar tableros de relés que había que recablear en cada cambio de modelo. Pidió un equipo reprogramable, robusto y mantenible por electricistas sin formación en programación.
¿De dónde viene el diagrama de contactos?
De ese último requisito: se diseñó para que se viera igual que los esquemas de relés que la gente de planta ya sabía leer. Por eso sigue siendo el lenguaje más usado.
Enumerá las cuatro fases del ciclo de exploración.
Lectura de entradas a la imagen de proceso, ejecución del programa, escritura de las salidas y tareas del sistema.
¿Cuál es el retardo máximo entre una entrada y su salida?
Hasta dos tiempos de ciclo: uno si el cambio llega justo después de la lectura, más el ciclo completo hasta que la salida se escribe.
Si una salida se escribe en dos lugares del programa, ¿cuál vale?
La última que se ejecuta, porque es la que queda en la imagen de salidas cuando termina el ciclo.
Con un ciclo de 5 ms, ¿se puede detectar un pulso de 3 ms?
No de manera segura: puede caer entre dos lecturas. Hace falta una entrada rápida con captura por hardware o alargar el pulso.
¿Cuándo no conviene un PLC?
Cuando hay muy pocas señales y el automatismo es fijo, o cuando se trata de un producto en serie donde el costo por unidad manda: ahí van relés o un microcontrolador.
¿Por qué la parada de emergencia no puede estar sólo en el programa?
Porque si la CPU falla o el programa se cuelga, no habría parada. Debe cortar la alimentación de los actuadores por hardware, con contactos de apertura forzada.
¿Qué ventaja de diagnóstico da un PLC?
Permite ver en línea el estado de cada entrada, cada salida y cada renglón del programa, así que se puede saber exactamente por qué una salida no se activa.