Curso de Controladores L

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Curso de Controladores Lógicos Programables
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Que es un Controlador Lógico Programable? 

• Un Controlador Lógico Programable (Programable
  Logic Controler PLC), es un dispositivo digital
  utilizado para el control de máquinas y operación
  de procesos.
• Es un aparato digital electrónico con una
  memoria programable para el almacenamiento de
  instrucciones permitiendo la implementación de
  funciones específicas como lógica, secuencias,
  temporizado, conteo y aritmética con el objeto
  de controlar máquinas y procesos.

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Un Controlador Programable consta de 3 elementos
principales

• El primero es el procesador, la unidad central de
  proceso del controlador programable. El
  procesador o CPU (Central Processing Unit) es el
  cerebro del controlador programable. Una vez
  que un programa (en la forma de diagrama de
  escalera) es introducido en el procesador, éste
  reside en la memoria hasta que sea cambiado por
  el usuario.
• El segundo elemento principal es la estructura de
  entrada / salida (E/S). Esta provee la interfase
  entre la CPU y el proceso o maquinaria. La
  adición de los microprocesadores ha aumentado las
  posibilidades de simples funciones ON/OFF hasta
  hacer posible generación de reportes, control
  analógico, etc..
• El tercer elemento es el equipo de programación.

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Estructura de un PLC

• Para poder interpretar la estructura de un PLC
  utilizaremos un sencillo diagrama en bloques.
• En la figura se muestran las tres partes
  fundamentales las entradas, la unidad central de
  procesos (CPU) y las salidas.

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La CPU

• Es el cerebro del PLC, responsable de la
  ejecución del programa desarrollado por el
  usuario. Es la unidad principal de coordinación
  de todas las funciones o recursos de los
  distintos Procesadores Periférico, Procesador de
  entrada /salida, Procesador de Comunicaciones,
  Unidad de Memoria y Fuente de alimentación.
• La CPU se comunica con las interfases de I/O por
  medio de un bus paralelo, que incluye un bus de
  datos y un bus de direcciones. Adicionalmente, un
  bus de alimentación provee alimentación eléctrica
  a las interfases de I/O.

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Las Entradas

• (interfases o adaptadores de Entrada) se encargan
  de adaptar señales provenientes del campo o
  niveles que la CPU pueda interpretar como
  información. Las señales del campo pueden
  implicar niveles y tipos de señal eléctrica
  diferentes a los que maneja la CPU.

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Las Entradas

• A las entradas se conectan sensores que pueden
  ser
• Pulsadores
• Llaves
• Termostatos
• Presostatos
• Límites de carrera
• Sensores de Proximidad
• Otros elementos que generan señales binarias
  (ON-OFF)

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Las Salidas

• (interfases o adaptadores de Salida) comandan
  dispositivos de campo en función de la
  información enviada por la CPU.
• Las salidas comandan distintos equipos, por
  ejemplo
• Lámparas.
• Sirenas y Bocinas.
• Contactores de mando de Motores.
• Válvulas Solenoide.
• Otros elementos comandados por señales binarias.

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Ejemplo de Encendido y Apagado de una lámpara a
través del PLC
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Clasificación de los PLCs 

• Si deseamos establecer una clasificación de
  PLCs, podemos considerar distintos aspectos
• Por su Construcción
• Integral.
• Modular.
• Por su Capacidad
• Nivel 1 Control de variables discretas y pocas
  analógicas, operaciones aritméticas y capacidad
  de comunicación elementales.

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Clasificación de los PLCs 

• Nivel 2 Control de variables discretas y
  analógicas. Matemáticas de punto flotante. E/S
  inteligentes. Conexión en red. Gran capacidad de
  manejo de datos analógicos y discretos.
• Por Cantidad de E/S
• Micro PLC (hasta 64 E/S).
• PLC pequeño (65 a 255 E/S).
• PLC mediano (256 a 1023 E/S).
• PLC grande (más de 1024 E/S).

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Clasificación por Construcción

• La clasificación por su construcción distingue a
  los PLCs que integran todas sus partes (E/S,
  CPU, Fuentes Puertos de Comunicación, etc.) en
  una misma caja o gabinete, de los que están
  formados por módulos.

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PLC integral

• Es aquel que integra todas sus partes en una
  misma caja o gabinete. Se suele utilizar también
  la denominación de Compacto, pero la aparición de
  PLCs modulares de pequeño tamaño hace que ésta
  resulte inadecuada.
• El PLC integral suele tener muy pocas E/S,
  clasificándose en general como micro PLC.

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PLC modular

• Como su nombre lo indica, está formado por
  módulos. El equipo se arma sobre un bastidor o
  base de montaje (también llamada chasis o rack)
  en el cual se instalan la CPU, los módulos de
  entrada, los módulos de salida y otros
  periféricos.
• El chasis contiene en su parte posterior los
  buses de datos, direcciones y alimentación del
  PLC, con conectores apropiados a los que se
  conecten los distintos módulos.

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PLC modular

• Por la forma que tienen estos módulos, es usual
  que se les denomine tarjeta. Así es muy
  frecuente encontrar la frase tarjetas de entrada
  / salida en referencia a los módulos de entrada /
  salida.
• La principal ventaja de un PLC modular frente a
  uno integral es evidente el usuario puede
  componer su equipo con la cantidad y tipo de
  entradas y salidas que necesite, y luego puede
  ampliarlo agregando los módulos necesarios.

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Clasificación por Capacidad

• La clasificación por capacidad distingue dos
  niveles, en función de la complejidad de las
  instrucciones que el PLC puede manejar.
• El nivel 1 identifica a un PLC con instrucciones
  sencillas y no muy potentes.

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Clasificación por Capacidad

• El nivel 2 identifica a los PLCs con funciones
  de mayor complejidad.
• Algunas de las aplicaciones que podemos
  encontrar en un PLC de nivel 2, y que en general
  no estarán en un PLC de nivel 1 son raíz
  cuadrada, logaritmo, antilogaritmo, aritmética de
  doble precisión y de punto flotante, funciones
  trigonométricas, diferenciación e integración,
  lazos PID, etc.

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Clasificación por Cantidad de E/S

• La clasificación por cantidad de E/S es
  arbitraria. A pesar de ello, este parámetro es el
  indicador que habitualmente define el PLC. Los
  fabricantes ofrecen características tales como
  capacidad de memoria, operaciones aritméticas,
  etc., en directa relación a la cantidad de
  entradas y salidas que el controlador puede
  manejar.

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Entradas y Salidas

• Las entradas y salidas son los elementos del PLC
  que lo vinculan al campo. En el caso de las
  entradas, adaptan las señales de sensores para
  que la CPU las reconozca. En el caso de las
  salidas, activan un circuito de conexión
  (transistor, triac o relé) ante una orden de la
  CPU.

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Tipos de Entradas y Salidas

• Discretas También llamadas digitales, lógicas,
  binarias u on-off , pueden tomar solo dos
  estados. La denominación de digital es más común
  que las discretas, aún cuando es incorrecta, ya
  que todas las funciones de un PLC, incluidas las
  E/S, son digitales.
• Analógicas Pueden tomar una cantidad de valores
  intermedios dentro de un cierto límite,
  dependiendo de su resolución. Por ejemplo 0 a 10
  Vcc, 4 a 20 mAcc, etc.

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Tipos de Entradas y Salidas

• Especiales Son variantes de las analógicas, como
  las entradas de pulso de alta frecuencia,
  termocuplas, RTDs, etc.
• Inteligentes Son módulos con procesador propio y
  un alto grado de flexibilidad para su
  programación. Durante su operación intercambian
  datos con la CPU.

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Entradas Discretas

• Existe una variada gama de alternativas para
  éstos módulos, con lo que se puede optar por
  módulos con distintas cantidades de entradas y
  para distintos niveles de voltaje las más
  comunes son 24 Vcc, 24 Vca, TTL (5 Vcc), 110
  Vca, 220 Vca, etc..

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Entradas Discretas

• La estructura típica de una entrada discreta
  puede separarse en varios bloques por donde
  pasará la señal, hasta convertirse en un 0 o un 1
  lógico para la CPU. Estos bloques son
• ? Rectificador En el caso de una entrada de
  corriente alterna, convierte la señal en
  continua. En el caso de una señal de corriente
  continua, limita o impide daños por inversión de
  polaridad.

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Entradas Discretas

• ? Acondicionador de señal Elimina ruidos
  eléctricos, detecta los niveles de señal para los
  que conmuta el estado lógico (umbral en on-off),
  y lleva la tensión al nivel manejado por la CPU.

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Entradas Discretas

• ? Indicador de estado En general se dispone de
  un indicador luminoso por canal, que está
  encendido mientras exista tensión en la entrada,
  y apagado en caso contrario. Un indicador
  adicional señala el correcto funcionamiento de la
  tarjeta, permaneciendo encendido si la tarjeta y
  su comunicación con la CPU no presentan fallas.

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Entradas Discretas

• ? Aislamiento Las entradas de la mayor parte de
  los PLCs son opto aisladas para que, en caso de
  sobre tensiones externas, el daño causado no
  afecte más que a ese punto, sin perjudicar el
  resto de la tarjeta ni programarse al resto de
  PLC.
• ? Circuito lógico de entrada Es el encargado de
  informar a la CPU el estado de la entrada cuando
  ésta la interrogue.

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Salidas Discretas

• Al igual que en el caso de las entradas
  discretas, la estructura típica de una salida
  discreta puede separarse en varios bloques por
  donde pasará la señal, hasta convertirse en un 0
  o un 1 lógico para la CPU. Estos bloques son

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Salidas Discretas

• ? Circuito lógico de salida Es el receptor de la
  información enviada por la CPU.
• ? Aislamiento Cumple una función análoga a la
  aislación de una tarjeta de entradas discretas.

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Salidas Discretas

• ? Indicador de estado generalmente se utiliza un
  indicador de estado por canal, que se enciende
  cuando la salida está cerrada, y se apaga cuando
  está abierta. Un indicador adicional señala el
  correcto funcionamiento de la tarjeta,
  permaneciendo encendido si la tarjeta y su
  comunicación con la CPU no presentan fallas.

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Salidas Discretas

• ? Circuito de conexión Es el elemento de salida
  a campo, que maneja la carga conectada por el
  usuario. Como veremos luego, se dispone de tres
  opciones de circuitos de conexión transistor,
  triac y relé.

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Salidas Discretas

• ? Protección Puede consistir en un fusible en
  serie con los contactos de salida, una protección
  electrónica por sobrecarga, o circuitos RC
  (resistivos-capacitivos), para eliminar picos
  generados por la naturaleza de la carga, en el
  caso de que ésta sea inductiva y la alimentación
  sea en corriente continua.

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Entradas Analógicas

• La principal tarea de una tarjeta de entrada
  analógica es precisamente la de convertir un
  valor analógico en un número de formato binario,
  por medio de un conversor A/D.
• Una entrada analógica con un conversor de 8 bits
  podrá dividir un rango de 4 a 20 mA. en 256
  valores. En cambio, con un conversor de 12 bits,
  tendrá que dividir el rango en 4096 valores. A lo
  anterior se le denomina Resolución.

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Entradas Analógicas

• Se define justamente como Resolución al mínimo
  cambio que un conversor puede discriminar en su
  entrada.
• En la estructura de una entrada analógica podemos
  distinguir las siguientes partes básicas
• ? Protección Impide daños al módulo y al resto
  del PLC por conexión con polaridad invertida o
  fuera del rango permitido.

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Entradas Analógicas

• ? Filtro Analógico Elimina posibles ruidos que
  ingresen por la instalación. Básicamente consiste
  en un filtro pasabajos, que permite que las
  señales de baja frecuencia lleguen al conversor
  A/D, evitando el paso de las señales de alta
  frecuencia.
• ? Multiplexado Esta etapa consiste en un
  selector que envía un canal de entrada por vez al
  conversor A/D.

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Entradas Analógicas

• ? Conversor A/D Es el encargado de transformar
  la señal analógica en un número binario
  interpretable por la CPU.
• ? Aislación En algunos equipos se dispone de
  opto-aisladores luego de conversor A/D, para
  separar la CPU del campo.

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Entradas Analógicas

• ? Buffer Memoria donde se almacenan los valores
  que provienen del conversor, mientras éste opera
  sobre los demás canales. Aquí es donde la CPU lee
  los valores numéricos convertidos.
• ? Las señales de entrada pueden ser por tensión o
  por corriente en este último se utiliza una
  resistencia calibrada donde se mide la caída de
  tensión. Los valores comunes de señal son 4 a 20
  mA., 1 a 5 Vcc, -5 a 5 Vcc ó 0 a 10 Vcc.

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Salidas Analógicas

• El concepto básico de funcionamiento es inverso
  al de una entrada analógica. Aquí la CPU emite un
  número binario a través del bus de datos, que
  debe convertirse en una señal analógica de
  corriente o de tensión.
• Para las salidas analógicas valen las mismas
  consideraciones sobre resolución y exactitud
  explicadas para las entradas analógicas.

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Salidas Analógicas

• A diferencia del módulo de entradas analógicas,
  es frecuente que en el de salida analógica se
  disponga de un conversor D/A por canal.
• Los módulos de salidas analógicas ofrecen 2, 4 ú
  8 canales, en tensión o en corriente. La
  composición en bloques de un módulo de salida
  analógica incluye

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Salidas Analógicas

• ? Buffer Memoria donde la CPU escribe los
  valores binarios a convertir por el conversor,
  mientras éste opera sobre los demás canales.
• ? Aislación Optoaislación para separar la CPU
  del campo.

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Salidas Analógicas

• ? Conversor D/A Es el encargado de transformar
  el número binario enviado por la CPU en una señal
  analógica.
• ? Protección Se encarga de impedir daños al
  módulo por conexión con polaridad invertida o
  fuera del rango permitido.

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Entradas / Salidas BCD

• Muchos PLCs pueden interpretar como números BCD
  (Binary Coded Decimal) las señales presentes en
  grupos de entradas discretas, o decodificar
  valores numéricos desde la CPU y convertirlos en
  un número BCD en salidas discretas. En la
  codificación BCD, cada cifra del sistema es
  representada por un número binario de cuatro
  cifras, desde 0000 (en correspondencia con el 0),
  hasta el 1001 (en correspondencia con el 9).

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Entradas / Salidas BCD

• Esto permite conectar al PLC dispositivos tales
  como llaves BCD, teclados de ingresos de datos y
  displays que utilicen esta codificación.
• Para la implementación de E/S del tipo BCD pueden
  utilizarse módulos de E/S discreta, con una
  adecuada programación, o módulos especiales
  diseñados para este fin.

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Entradas / Salidas Especiales

• Dentro del sistema de E/S de un PLC se pueden
  instalar módulos dedicados a tareas especiales
  que no pueden ser resueltas eficientemente por la
  CPU. Así es que podemos encontrar algunos módulos
  denominados especiales, como los siguientes

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Entradas / Salidas Especiales

• ? Entradas de termocuplas incluye un
  microprocesador para linealización de la señal de
  entrada, y una junta fría para compensación.
• ? Entradas de RTD Incluye un microprocesador
  para linealización de la entrada.

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Entradas / Salidas Especiales

• ? Entrada de pulsos de alta velocidad El tiempo
  que le insume a la CPU resolver el programa del
  usuario hace que ésta no pueda leer pulsos de
  alta velocidad. Estos módulos poseen un
  procesador dedicado a esta función y pueden dar
  señales al campo y a la CPU al alcanzar valores
  prefijados.

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Módulos Inteligentes

• Con el objeto de descargar a la CPU de tareas que
  le insumen un tiempo que no es aceptable, o para
  las que ésta no está preparada, se dispone de
  módulos inteligentes.
• Algunos de estos módulos cuentan con sus propias
  E/S, mientras que otros aprovechan la estructura
  de E/S que ofrece el PLC.

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Módulos Inteligentes

• Los módulos inteligentes poseen un procesador
  propio que funciona en forma asincrónica con el
  de la CPU. Ambos procesadores intercambian datos
  a través de la capacidad del módulo inteligente
  de leer y escribir ciertas posiciones de la
  memoria de la CPU principal. En algunos casos, la
  cantidad de datos que un módulo inteligente puede
  intercambiar con la CPU principal está limitada
  por el diseño del módulo.

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Módulos Inteligentes

• Algunos de estos módulos inteligentes son
• Módulo BASIC Programable en lenguaje BASIC,
  posee uno o varios puertos de comunicación RS-232
  ó RS-422.
• Módulo PID Este módulo resuelve uno o varios
  lazos PID en forma separada de la CPU principal.
  La configuración de os lazos se efectúa desde la
  CPU principal o directamente a través de un
  puerto RS-232 ó RS.422 que el módulo posee.

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Módulos Inteligentes

• Módulo ASCII Almacenan mensajes que pueden
  emitirse a través de sus puertos de
  comunicaciones por orden del programa de la CPU
  principal.
• Módulo de posicionamiento Es una combinación de
  un módulo contador de alta velocidad con salida
  para motores. Se utilizan para resolver lazos de
  posicionamiento en aplicaciones de control
  numérico o robótica.

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Módulos Inteligentes

• Módulo computador integrado Son verdaderas
  computadoras, con teclado, pantalla, impresoras,
  conexión en red y almacenamiento masivo (ya sea
  en los clásicos discos rígidos o en disco RAM que
  emulan un disco rígido utilizando memoria RAM).
• Módulos de comunicación Son módulos
  inteligentes especialmente dedicados a tareas de
  comunicación.

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Unidad Central de Procesos (CPU)

• La CPU (Central Processing Unit) es la unidad
  principal de coordinación de todas las funciones
  o recursos de los distintos procesadores
  periféricos, procesador de I/O, procesador de
  comunicaciones, unidad de memoria y fuente da
  alimentación.
• La CPU de un PLC está compuesta por dos partes
  fundamentales el procesador y la memoria. Pueden
  contener también otros elementos, como puertos de
  comunicación, o incluso la fuente de alimentación.

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Unidad Central de Procesos (CPU)
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Fuente de alimentación

• Es la unidad encargada de suministrar los
  voltajes requeridos por la CPU, tarjetas
  especiales, procesadores periféricos y los
  módulos de E/S local.
• Existen 2 tipos de fuentes internas y externas.

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Procesador de Entradas y Salidas

• El procesador de I/O es el encargado de
  administrar el flujo de datos de lectura desde
  las celdas de entrada hacia la unidad central de
  procesos (CPU), y los datos de escritura desde la
  CPU hacia las celdas de salida, es decir realiza
  una interfase entre la CPU y las celdas que
  contienen los módulos de I/O, ya sean éstos
  locales o remotos.
• La figura siguiente muestra en forma esquemática
  el procesador de I/O y su entorno.

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Diagrama de un Procesador de I/O y su entorno
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Procesador de Comunicaciones

• El procesador de comunicaciones, es el encargado
  de proporcionar la interfase física y lógica de
  comunicación requerida, como también administrar
  el flujo de datos desde y hacia la CPU con os
  equipos periféricos conectados a los puertos de
  comunicación.
• En el caso de los PLCs Modicon, proporcionan
  típicamente 2 interfases

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Procesador de Comunicaciones

• ? Interfase Serial RS-232 en protocolo Modbus
  Destinada a operar como interfase de
  configuración, programación y monitoreo de la
  aplicación del PLC a través de un computador con
  software Modsoft, Lmodsoft o supervisor de PLC
  Factory Link u otros.
• ? Interfase de red del tipo RS-422 en protocolo
  Modbus Plus (MB) Destinada a la implementación
  de una red local de control industrial (LAN).

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Procesador de Comunicaciones

• La figura siguiente nos muestra un diagrama
  básico de un procesador de comunicaciones.

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Procesador

• El procesador tiene como tarea principal ejecutar
  el programa de aplicación escrito por el usuario.
  También cumple con otras tareas importantes, como
  ser la de administrar las tareas de comunicación
  y ejecutar programas de autodiagnóstico.
• Los PLCs más sencillos poseen un solo
  procesador, pero en la medida que su capacidad de
  control aumenta pueden tener varios procesadores
  dedicados a tareas específicas como resolución de
  lazos, comunicaciones, diagnósticos, etc..

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Procesador

• Las tareas asignadas al procesador son ejecutadas
  por éste secuencial incesantemente mientras el
  equipo está conectado a la alimentación. Esta
  secuencia se denomina Barrido o Scan.
• Una secuencia típica de Barrido o Scan se muestra
  a continuación

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Procesador

• ? Consultar el estado de las entradas y almacenar
  éstos estados en la memoria.
• ? Resolver el programa de aplicación.
• ? Atender las comunicaciones con módulos
  inteligentes.
• ? Atender las comunicaciones de los puertos de
  la CPU.
• ? Ejecutar un auto diagnostico.
• ? Actualizar las salidas a partir de los
  resultados almacenados en la memoria.
• ? Volver a empezar el ciclo. El tiempo que
  necesita el procesador para llevar a cabo éste
  ciclo se denomina tiempo de Barrido o Scan time.

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Memoria

• Es la encargada de almacenar la aplicación de
  control, los datos calculados o asignados,
  funciones básicas y el Firmware ejecutivo del
  sistema.
• La unidad de memoria se compone de dos partes,
  una RAM (CMOS RAM), y una memoria ROM.
• La memoria RAM es la porción de memoria donde se
  almacena la configuración del sistema, la
  aplicación, los datos calculados y los
  prefijados.

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Memoria

• La memoria RAM puede ser dividida de la siguiente
  forma
• ? RAM de Estado (State RAM), que almacena todos
  los datos o valores de las variables programadas
  y configurables.
• ? RAM de Usuario (Usser Logic), que contiene
  todo el programa de aplicación. Típicamente la
  configuración del sistema ocupa entre 800 y 1500
  palabras de memoria, dependiendo de la cantidad
  de Drops y módulos de I/O.

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Memoria

• La memoria total de un equipo tiene distintas
  zonas en las que se almacenan datos
• ? Área de programas de aplicación o memoria de
  usuario
• ? Registro de E/S discretas
• ? Registro de E/S analógicas
• ? Registro de temporizadores y contadores
• ? Registro de variables
• ? Área auxiliar (Scratch pad)
• ? Sistema Operativo

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Descripción del SOFTWARE

• El Software propiamente tal de un controlador
  programable lo conforma su set de instrucciones,
  pero antes de conocer éste set de instrucciones,
  veremos un punto que se asocia con el Software,
  este es, la capacidad de memoria.

66
Descripción del SOFTWARE

• Capacidad de Memoria.
• Recordemos que las tareas (las cuales
  llamaremos programas) que se desea que realice
  el controlador programable quedan almacenadas en
  una unidad llamada memoria, por lo tanto, de lo
  anterior se desprende que el tamaño del programa
  que puede resolver un controlador programable
  estará directamente relacionado con la capacidad
  de memoria de éste.

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Descripción del SOFTWARE

• Utilización de Memoria.
• El programa lógico ingresado, se almacena en la
  memoria de usuario en sucesivas palabras de
  memoria.
• La lógica se almacena siguiendo el número de la
  red, con la red del número más bajo en las
  direcciones de memoria más bajas.
• Cada elemento de la red (contacto, bobina) hace
  uso de una palabra de memoria, los contadores y
  temporizadores hacen uso de dos palabras de
  memoria, las funciones aritméticas y otras, hacen
  uso de tres palabras de memoria y las conexiones
  verticales, por cada columna, hacen uso de una
  palabra de memoria.

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Descripción del SOFTWARE

• A modo de ejemplo cuánta cantidad de memoria
  ocupa la siguiente red de la figura?