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Timestamp: 2016-05-25 05:20:45+00:00

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José Francisco Miranda Vázquez C.U. 992515
como requisito para optar por el grado de
Aprobado por el Tribunal
Ing. Ismael Mazón, M.Sc Ing. Jorge Blanco, M.Sc
Ing. Peter Zeledón
INDICE GENERAL……………………………………………………………….….…..3
INDICE DE FIGURAS……………………………………………………………..…….7
INDICE DE TABLAS…………………………………………………………….….…...10
SIMBOLOGÍA………………………………………………………………………..…..11
RESUMEN……………………………………………………………………………..….12
INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………...13
CAPÍTULO 1: OBJETIVOS Y METODOLOGÍA………………………………….…15
1.1 Objetivo General………………..……………………………………………….…15
1.2 Objetivos específicos……………………………………..……………………......15
1.3 Justificación……………………………………………….…………………….....16
1.4 Metodología………………………………………………..……………………....17
CAPÍTULO 2: FUNDAMENTO TEÓRICO…………………………………….……..18
2.1 Sistemas de control digital…………..………………………………………….…18
2.2 Controladores lógicos programables PLC………………………………….…..….21
2.2.1 Componentes básicos de los PLC……………………………………….……...22
2.2.2 Tipos de PLC…………………………………………………..…….…..……..25
2.2.3 Programación de un PLC…………………………………….…………...…….25
2.2.4 Tiempo de ciclo de programa…………..……………………………..………..26
CAPÍTULO 3: DESCRIPCIÓN DEL PLC SLC 500 DE ALLEN BRADLEY..….....27
3.1 Componentes del PLC SLC 500 de Allen Bradley disponible en el Laboratorio.....27
3.2 Programación del PLC SLC 500…………………...………………………..……..30
3.2.1 Tiempo de ciclo del PLC SLC500…………….…………………………..…..30
3.2.2 Programación del PLC mediante la aplicación RSLogix………....…….……..31
3.2.2.1 Elementos Básicos de los programas escritos en la aplicación RSLogix....32
3.2.2.1.1 Elementos de Lenguaje………………………………………..….……33
3.2.2.1.2 Conjunto de instrucciones de la familia SLC 500…………...……..…39
CAPÍTULO 4: IMPLEMENTACIÓN DEL PROYECTO DE CONTROL…..…..…50
4.1 Etapa 1: Conexión del equipo ………...……………………………………..…….50
4.2 Etapa 2: Configuración del equipo …….………………………………….…..…..53
4.2.1 Aspectos preliminares……………………….………………………..…....…..53
4.2.1.1 Comunicaciones………………….……………………………………...…53
4.2.1.2 Opciones de control…………………………………………………..…….53
4.2.1.3 Estructura de memoria………………………………………………..…….54
4.2.2 Configuración de las comunicaciones mediante el programa RSLinx…..…….54
4.2.3 Programación del PLC mediante el programa RSLogix………..…….……..…56
4.2.4 Programación de la interface al usuario mediante RSView32.…...……...…….58
4.3 Especificaciones de diseño y modelado matemático…….……..………………….62
4.3.1 Sintonización del algoritmo PID……………..…………………………….….63
4.3.1.1 Especificaciones de diseño del sistema de control……………..……….…65
4.3.1.2 Caso I. Planta de segundo orden sin tiempo muerto………………….…..65
4.3.1.3 Caso II. Planta de segundo orden con tiempo muerto
‘tm = 10ms’……………………………………………………………………..…….……67
4.3.1.3 Caso III. Planta de segundo orden con tiempo muerto
‘tm = 1s’…………………………………………………………………………...…….…68
4.3.2 Modelado matemático del sistema de control…………………………………..69
4.3.2.1 Caso I. Planta de segundo orden sin tiempo muerto………………………71
4.3.2.1.1 Periodo de muestreo T = 0.01segundos……………………………….…71
4.3.2.1.2 Periodo de muestreo T = 0.1segundos…………………………………72
4.3.2.1.3 Periodo de muestreo T = 0.5 segundos…………………………...……73
4.3.2.1.4 Periodo de muestreo T = 0.75 segundos…………………………...…..74
4.3.2.1.5 Periodo de muestreo T = 1 segundos……………………………....…..75
4.3.2.2 Caso II. Planta de segundo orden con tiempo muerto
‘tm’ = 10ms……………………………………………………………………….…...……76
4.3.2.2.1 Periodo de muestreo T = 0.01segundos………………………..…..…..76
4.3.2.2.2 Periodo de muestreo T = 0.1segundos………………………….…...…77
4.3.2.2.3 Periodo de muestreo T = 0.5 segundos……………………….……......78
4.3.2.2.4 Periodo de muestreo T = 0.75 segundos…………………………...…..79
4.3.2.3 Caso III. Planta de segundo orden con tiempo muerto
‘tm’ = 1s……………………………………………………………………………..…..….80
4.3.2.3.1 Periodo de muestreo T = 0.1 segundos…………………………..….…81
4.3.2.3.2 Periodo de muestreo T = 0.5 segundos…………………….……….…82
4.3.2.3.3 Periodo de muestreo T = 1.2 segundos…………………………….….83
CAPÍTULO 5: ANÁLISIS DE RESULTADOS………..……………………...……….84
5.1 Resultados……..………………………………………………………….…..…….85
5.1.1 Caso I. Control de planta de segundo orden sin tiempo muerto………....……85
5.1.2 Caso II. Control de planta de segundo orden con tiempo muerto
‘tm’ = 10ms…………………………………………………………………………….….88
5.1.3 Caso III. Control de planta de segundo orden con tiempo muerto
‘tm’ = 1s……………………………………………………………………………….…..90
5.2 Análisis de resultados…………………………………………………………….…91
5.2.1 Caso I. Planta sin tiempo muerto ‘tm’ = 0s……………………………..….…91
5.2.2 Caso II. Planta de segundo orden con tiempo muerto ‘tm’ = 10ms….…….…94
5.2.3 Caso III. Planta de segundo orden con tiempo muerto ‘tm’ = 1s…………......96
CAPÍTULO 6: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES……..………………..98
6.1 Conclusiones…………………………….…………………………………………98
6.2 Recomendaciones………………………………………………………………….100
BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………….…..….….102
REFERENCIAS…………………………………………………………………………..103
APÉNDICE…………………………………………………………………………….….105
A.1 Introducción a los sistemas de control…………………………………….……. 105
A.1.1 Tipos de señales………………………………………………………….…..105
A.1.1.1 Señales continuas……………...………………………………………....105
A.1.1.2 Señales discretas……………………………...……………………….…105
A.2 Modelado matemático de los sistemas de control……………………………….107
A.2.1 Sistemas de control en tiempo continuo…………………………..……….…107
A.2.1.1 Función de transferencia de un sistema de control……………….….…..107
A.2.1.2 Algoritmo de control proporcional, integral, derivativo ó PID…..……...110
A.2.1.2.1 Sintonización de un controlador PID………………………………...112
A.2.1.2.1.1 Método de sintonización por síntesis de controladores……..…..113
A.2.1.2.1.2 Conversión de parámetros en algoritmos PID………………..…114
A.2.2 Sistemas de control en tiempo discreto………………………………….…...115
A.2.2.1 Proceso de muestreo………………………………………….……..……115
A.2.2.2 Proceso de retención………………………………………………….......117
A.2.2.3 Función de transferencia discreta de un sistema realimentado……….......118
Figura 2.1 Sistema de control digital……………………………………………....…....19
Figura 3.1 Alambrado del módulo de entradas/salidas analógicas……………...…...….29
Figura 3.2 Sistema de control de lazo cerrado con controlador digital…………..…......44
Figura 3.3 Bloque de parámetros del bloque de función PID…………………...…...….47
Figura 3.4 Ventana de parámetros del bloque de función PID…………………...…..…48
Figura 4.1 . Conexión del equipo necesario para realizar el control sobre la planta
proceso……………………………………………………………………...…………..…51
Figura 4.2 Bloque de conversión de señal……………………………………...….....…52
Figura 4.3. Programa de aplicación del proyecto de control…………………………..…57
Figura 4.4 Elemento gráfico 1………………………………………………………...…60
Figura 4.5 Elemento gráfico 2……………………………………………………….......61
Figura 4.6 Elemento gráfico 3. Interface al usuario…………………………………..…62
Figura 4.7 Diagrama en bloques del modelo en tiempo continuo del sistema
de control. ………………..………………………………………………………………...64
Figura 4.8 Respuesta del modelo ante un cambio escalón unitario en el valor
deseado bajo las condiciones del caso I………………...………………………………....66
Figura 4.9 Respuesta del modelo ante un cambio escalón unitario en el valor
deseado bajo las condiciones del caso II………………………………………………..….67
Figura 4.10 Respuesta del modelo ante un cambio escalón unitario en el valor
deseado bajo las condiciones del caso III…………………………………………………..68
Figura 4.11 Diagrama en bloques del modelo discreto del sistema de control……...…..69
Figura 4.12 Respuesta al escalón unitario del modelo matemático. Planta de
segundo orden sin tiempo muerto. Periodo de muestreo T = 0.01s……………………......72
Figura 4.13 Respuesta al escalón unitario del modelo. Planta de
segundo orden sin tiempo muerto. Periodo de muestreo T = 0.1s…………………….…...73
Figura 4.14 Respuesta al escalón unitario del modelo. Planta de
segundo orden sin tiempo muerto. Periodo de muestreo T = 0.5 s……………………...….74
Figura 4.15 Respuesta al escalón unitario del modelo. Planta de
segundo orden sin tiempo muerto. Periodo de muestreo T = 0.75 s………………..………75
Figura 4.16 Respuesta al escalón unitario del modelo. Planta de
segundo orden sin tiempo muerto. Periodo de muestreo T = 1 segundo.……………..……76
Figura 4.17 Respuesta al escalón unitario del modelo. Planta de
segundo orden con tiempo muerto ‘tm’ = 0.01s . Periodo de muestreo T = 0.01 s…..…….77
Figura 4.18 Respuesta al escalón unitario del modelo. Planta de
segundo orden con tiempo muerto ‘tm’ = 0.01s . Periodo de muestreo T = 0.1 s..….…......78
Figura 4.19 Respuesta al escalón unitario del modelo. Planta de
segundo orden con tiempo muerto ‘tm’ = 0.01s . Periodo de muestreo T = 0.5 s…...……..79
Figura 4.20 Respuesta al escalón unitario del modelo. Planta de
segundo orden con tiempo muerto ‘tm’ = 0.01s . Periodo de muestreo T = 0.75 s….….….80
Figura 4.21 Respuesta al escalón unitario del modelo. Planta de
segundo orden con tiempo muerto ‘tm’ = 1s . Periodo de muestreo T = 0.1 s…………..…81
Figura 4.22 Respuesta al escalón unitario del modelo. Planta de
segundo orden con tiempo muerto ‘tm’ = 1s . Periodo de muestreo T = 0.5 s…………..…82
Figura 4.23 Respuesta al escalón unitario del modelo. Planta de
segundo orden con tiempo muerto ‘tm’ = 1s. Periodo de muestreo T = 1.2 s………………83
Figura 5.1 Variable Controlada contra el tiempo. Resultado del sistema ante un
cambio de 0v a 2.5v en el valor consigna. Actualización del bloque PID = 10ms……..…..85
Figura 5.2 Variable Controlada contra el tiempo. Resultado del sistema ante un
cambio de 0v a 2.5v en el valor consigna. Actualización del bloque PID = 100ms……..…86
Figura 5.3 Variable Controlada contra el tiempo. Resultado del sistema ante un
cambio de 0v a 2.5v en el valor consigna. Actualización del bloque PID = 500ms……..…86
Figura 5.4 Variable Controlada contra el tiempo. Resultado del sistema ante un
cambio de 0v a 2.5v en el valor consigna. Actualización del bloque PID = 750ms……..…87
Figura 5.5 Variable Controlada contra el tiempo. Resultado del sistema ante un
cambio de 0v a 2.5v en el valor consigna. Actualización del bloque PID = 1s…….……....87
Figura 5.6 Gráfica de la Variable Controlada contra el tiempo.
Comportamiento del sistema ante un cambio de 0v a 2.5v en el valor consigna.
Actualización del bloque PID=10ms…………………………………………………..…..88
Figura 5.7 Gráfica de la Variable Controlada contra el tiempo.
Actualización del bloque PID=100ms………………………………………………..…....88
Figura 5.8 Gráfica de la Variable Controlada contra el tiempo.
Actualización del bloque PID=500ms…………………………………………………...…89
Figura 5.9 Gráfica de la Variable Controlada contra el tiempo.
Actualización del bloque PID=750ms………………………………………………….…..89
Figura 5.10 Gráfica de la Variable controlada contra el tiempo.
Actualización del bloque PID = 100ms…………………………………………….………90
Figura 5.11 Gráfica de la Variable controlada contra el tiempo.
Actualización del bloque PID = 500ms…………………………………………….….......90
Figura 5.12 Gráfica de la Variable controlada contra el tiempo.
Actualización del bloque PID = 1.2 s……………………………………………….…...…91
Figura A.1 Señales analógica y cuantizada………………………………………...……106
Figura A.2 Señales muestreada y digital………………………………………….….….107
Figura A.3 Sistema de control Realimentado……………………………………….…..108
Figura A.4 Diagrama en bloques de un sistema realimentado…………………………..109
Figura A.5 Cambio de y(t) ante un cambio escalón en el valor consigna r(t)…………...112
Figura A.6 Sistema discreto en lazo cerrado………………………………………..…...120
Tabla 3.1 Características del convertidor A/D de los canales de
entrada del módulo NIO4I…………………………………………………….…...……….28
Tabla 3.2 Características del convertidor D/A de los canales de
salida del módulo NIO4I……………………………………………….……………...……29
Tabla 3.3 Ambitos de los parámetros KC, TI y TD del bloque de función PID……........46
Tabla 4.1 Equipo a utilizar en el proyecto………………...……………………..………51
Tabla 4.2 Estructura de memoria…………………………………………….....………..54
Tabla 4.3 Banderas utilizadas en la aplicación RSView32.…………………...…………59
Tabla 4.4 Especificaciones de diseño del sistema de control…….……………...……….65
Tabla 4.5 Valor de los parámetros del algoritmo PID para el caso I………………...…..66
Tabla 4.6 Valor de los parámetros del algoritmo PID para el caso II……………..….….67
Tabla 4.7 Valor de los parámetros del algoritmo PID para el caso III………….…..……68
Tabla 5.1 Configuración del bloque de función PID del PLC……………………...……84
Tabla 5.2 Especificaciones de diseño y resutados de los parámetros
continuos para el caso I………………………………………………………………….….92
Tabla 5.3 Parámetros discretos y parámetros experimentales para el caso I……….……92
Tabla 5.4 Especificaciones de diseño y parámetros continuos de la respuesta del
modelo ante un escalón unitario para las condiciones del caso II…………………………..94
Tabla 5.5 Parámetros discretos y resultados experimentales para el caso II………...…..95
Tabla 5.6 Especificaciones de diseño y parámetros continuos para el caso III….…..…...96
Tabla 5.7 Parámetros discretos y resultados experimentales para el caso III………….....97
PC Computador personal
V Voltios. Unidad de medida de la diferencia de potencial eléctrico
A Amperios. Unidad de medida de la corriente eléctrica
Hz Hertz. Unidad de medida de la frecuencia
ms Milésima parte de un segundo
PID Algoritmo de control de acción proporcional, integral y derivativa
s Variable compleja
z Variable compleja
A/D Convertidor analógico a digital
D/A Convertidor digital a analógico
RAM Memoria de acceso aleatorio
TCP/IP Protocolo de capa de transporte/protocolo de internet
VD Valor deseado
VC Variable controlada
SC Salida del controlador
El proyecto consistió en la utilización del controlador lógico programable
Allen Bradley SLC 500 disponible en el Laboratorio de Automática de la
Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Costa Rica, como
controlador en un sistema automático.
En el trabajo se estudia la aplicación de los algoritmos PID al PLC con el fin
de controlar una planta analógica en un lazo realimentado. Primero se realiza
una descripción detallada de los componentes del equipo, después se
presentan los programas necesarios para la utilización del PLC. Además se
explica la configuración del controlador, su lenguaje de programación y el
direccionamiento de las variables internas.
Se realizó la sintonización del algoritmo PID para que el sistema automático
cumpliera con ciertos parámetros de diseño. Después se realizó un modelado
matemático del sistema para poder comparar los datos obtenidos
experimentalmente. El modelado se realizó mediante la utilización de las
funciones de transferencia continuas y discretas.
Se implementó el sistema de control en el Laboratorio de Automática de la
Escuela, donde se realizaron numerosas pruebas experimentales bajo
diferentes configuraciones del equipo. Se diseñó una interface gráfica con el
usuario que le permite monitorear y configurar el sistema automático.
Finalmente se analizaron los resultados experimentales obtenidos, y se
concluyó sobre aspectos como la estabilidad y el método de sintonización
El proyecto consiste en utilizar un controlador lógico programable ( PLC por sus siglas en
inglés ) para el control de un proceso continuo en un lazo realimentado, haciendo uso de los
algoritmos PID (proporcional, integral, derivativo) como estrategia de control. Para
implementar el sistema se utilizará el PLC SLC 500 de Allen Bradley© y un proceso que será
una planta electrónica analógica. Además se desarrollará una interface con el usuario, a través
de un computador personal, con el objetivo de poder seguir el comportamiento del proceso, y
de modificar las variables de control.
Los objetivos y la metodología del proyecto se desarrollan en el capítulo 1. Además, se
presenta una justificación que resume los motivos que movieron a la realización de este
En el capítulo 2 se presentan los conceptos básicos de los controladores lógicos programables.
Se explica su principio de funcionamiento, las partes que los constituyen y algunos conceptos
sobre su modo de empleo.
El capítulo 3 es dedicado a una descripción básica del PLC SLC 500 de Allen Bradley.
Primero se presentan las especificaciones del equipo para después introducir los programas
RSLogix y RSview de Allen Bradley©, necesarios para la programación del PLC y la
interface al ususario. Se exploran conceptos tales como el direccionamiento de variables y las
instrucciones básicas del lenguaje de programación.
El proyecto de control es desarrollado en el capítulo 4. Primero se especifica el equipo y las
conexiones necesarias para la implementación. Posteriormente se presenta la programación del
PLC. Finalmente se explicará cómo se crea la interface al usuario que se ejecutará en el PC.
En este capítulo se definirán las especificaciones que el sistema de control deberá cumplir y se
configurará el algoritmo PID tal que se cumpla con ellas. Finalmente, se realiza un modelo del
sistema en tiempo continuo y en tiempo discreto, que será utilizado como parámetro de
En el capítulo 5 se presentan los resultados de las pruebas realizadas con el sistema en el
laboratorio. Con ayuda del modelo, se realiza un análisis de resultados.
Finalmente, en el capítulo 6 se desarrollan conclusiones y recomendaciones para el adecuado
uso de un PLC en sistemas de control realimentado.
Además, se incluye un apéndice con los conceptos básicos del diseño de sistemas
realimentados de control.
Capítulo 1: Objetivos y Metodología
Utilizar un PLC para el control realimentado de un proceso continuo, haciendo uso de una
estrategia de control PID.
1. Utilizar un PLC en una configuración de lazo cerrado para controlar una planta mediante
un algoritmo PID.
2. Aplicar los métodos de sintonización de controladores PID a los parámetros de control
implementados en el PLC.
3. Comunicar el PLC con una computadora que servirá como interface al usuario.
4. Monitorear el comportamiento de la planta a través de datos enviados por el PLC a un
La creciente necesidad de obtener opciones de control de procesos industriales que sean flexi-
bles, económicas y de mayor precisión incentiva la aplicación de teorías de control conocidas
a equipos más avanzados. Es por ello que se realiza este estudio; que busca implementar la
teoría PID a los controladores lógicos programables, equipos de avanzada tecnología, alta
precisión y gran flexibilidad.
Tradicionalmente, los PLC han sido utilizados en el control de procesos secuenciales. Entre
estos procesos están: el arranque y paro de motores, coordinación de sensores para muestreo
de datos, manejo de transferencias de energía de respaldo, control de comunicación de datos
entre equipos periféricos, entre otros. Por otro lado, las teorías de control para procesos más
avanzados de regulación y servomecanismos como los algoritmos PID, son llevadas a la
práctica por equipos electrónicos analógicos discretos, los cuales son poco flexibles. Por ello
surge la inquietud de explorar el uso de los PLC en el control de procesos más complejos de
manera que todas las ventajas que ofrecen puedan ser aprovechadas en procesos como:
regulación de temperatura de calderas, posicionamiento de robots, preparación de sustancias
El proyecto busca implementar la teoría PID a un control de una planta electrónica analógica
en un lazo cerrado con un PLC como controlador. Para lograr llevar a cabo la construcción del
sistema, se realizará primero una investigación bibliográfica sobre algoritmos PID, la
programación de controladores Allen Bradley©, sobre las comunicaciones seriales bajo el
protocolo de capa física RS-232 y sobre la programación de una interface en RSView32©.
Después de la recolección de la información se harán los cálculos necesarios para sintonizar el
controlador. Se realizará la programación necesaria del PLC mediante la herramienta RSLogix
y se montará la interface al usuario en la plataforma RSView32.
Finalmente se realizarán las conexiones del equipo, para luego obtener las respuestas del
sistema en el laboratorio para diferentes situaciones. Estas respuestas serán comparadas con
los resultados teóricos obtenidos del análisis del sistema en tiempo continuo y en tiempo
discreto. De este análisis se obtendrán las conclusiones y recomendaciones.
Capítulo 2: Fundamento teórico
2.1 Sistemas de Control Digital.
Un sistema de control donde el controlador es un computador digital es conocido como
sistema de control digital. El computador digital es un elemento electrónico, que utiliza
señales digitales en su funcionamiento.
Un sistema de control digital se divide en las siguientes partes:
Proceso: Es la parte del sistema que realiza la tarea requerida con el fin de obtener un servicio
o producto. También conocido como planta, posee parámetros físicos manipulables sobre los
que se aplica control con el fin de que la tarea o producto cumpla con las especificaciones de
diseño. El proceso puede estar constituido por motores, circuitos electrónicos, o partes
Controlador digital: Es un equipo electrónico digital que obtiene información del proceso,
por medio de sus entradas, para luego aplicarle el algoritmo de control. Los resultados son
aplicados a la planta, a través de sus salidas. Las señales que maneja son eléctricas y
codificadas en el sistema de numeración binario.
Elementos de medición y transmición: son dispositivos que sirven para medir variables
físicas de cualquier índole y transformalas en señales eléctricas, que son realimentadas al
Muestreador: es el elemento que transforma las señales eléctricas analógicas en señales
muestreadas moduladas en amplitud. En este trabajo siempre se supondrá que los
muestreadores son ideales, representados por interruptores que se abren y cierran con un
periodo T. Todos los interruptores en los diagramas de bloques están sincronizados.
Retenedor: Dispositivo que transforma las señales muestreadas en señales cuantizadas. En
este trabajo, los retenedores del sistema serán representados por el modelo ZOH ( retenedor de
orden cero por sus siglas en inglés ).
Actuador: El actuador recibe las señales eléctricas que provienen del controlador y realiza
una acción directa sobre el parámetro manipulable de la planta. Recuérdese que este parámetro
manipulable debe tener un efecto final sobre la variable física que se está controlando.
La figura 2.1 muestra un ejemplo de un sistema de control digital. En este caso, se trata del
control del nivel de fluido en un tanque.
Figura 2.1 Sistema de control digital.
El actuador es una electroválvula que deja escapar el fluido de la base del tanque. El
controlador digital es un PLC, que obtiene el valor del nivel presente de un sensor transmisor.
Las señales que se pueden identificar en el sistema son:
Valor deseado ó consigna R. Es el valor de meta para la variable controlada. Esta señal
puede ser transmitida al PLC por medio de una entrada analógica, ó por medio de una PC.
Error. E: Señal de error, que es igual a la señal de consigna menos la señal realimentada. Es
una señal digital.
Salida del controlador U: es el resultado de la aplicación de la ley de control sobre el error.
Es una señal digital.
Salida del PLC u (k*T): es la señal presente en los bornes de salida del PLC. Es una señal
analógica que comanda el actuador.
Variable manipulada m(t): es el parámetro físico de la planta sobre el que se puede actuar
para obtener un cambio en la variable controlada.
Variable controlada c(t): es la variable de la planta que se controla directamente. En la
figura 2.1, esta variable sería el nivel del fluido en el tanque. La magnitud de la variable
controlada es representada por una señal eléctrica llamada señal realimentada. El controlador
recibe la información de la variable controlada por medio de ella.
Señal realimentada y(t): Es la señal que se obtiene del sensor transmisor. Es una señal
eléctrica analógica
Ahora se explicarán cada uno de los elementos de la figura 2.1.
Entradas del PLC: Es un circuito electrónico, parte del PLC, que realiza las acciones de
muestreador y retenedor. Este circuito recibe una señal analógica de entrada y la transforma en
una señal cuantizada.
Convertidor analógico/digital A/D: Un convertidor analógico/digital es un codificador que
convierte una señal analógica de entrada en un código numérico, generalmente binario. Este
tipo de señales son las que el controlador digital puede manipular. Dicha conversión es
realizada con un grado de incertidumbre que depende de las características del convertidor.
Convertidor digital/analógico D/A: Es un decodificador que transforma la señal digital de
salida del algoritmo de control en una señal tipo cuantizada.
El lazo de control funciona así: la señal realimentada es primero transformada a una señal
digital que es realimentada y restada a la señal de valor deseado. La diferencia es procesada
por el PLC al aplicarle el algoritmo de control. El resultado es una señal digital que se
transforma en analógica mediante el convertidor D/A, para luego ser aplicada al actuador.
Finalmente el actuador varía la variable manipulada para obtener el resultado en la variable
2.2 Controladores lógicos programables PLC.
Los controladores lógicos programables son computadores digitales industriales dedicados a
las tareas de control de procesos. Dichos dispositivos fueron creados para mejorar el sistema
de control convencional mediante contactores. Entre los problemas que presentaban los
sistemas de control convencional están: poca flexibilidad, difícil supervisión y corrección de
errores, poca confiabilidad y alto consumo de energía. Las razones de estos problemas radican
en que los sistemas convencionales implementan la lógica de control mediante cableados
complicados y múltiples elementos discretos como temporizadores, contactores, interruptores,
enclaves mecánicos y botoneras, todos los cuales están sujetos a fallo. Además, el hecho de
que la lógica esté implementada por cableados hace difícil su modificación.
Como respuesta, surgió la idea de tener un único elemento programable que realizara la lógica
de control. Entonces, bastará con programar dicha lógica en la memoria del dispositivo para
obtener el mismo resultado que con la intricada red de contactores que se tenía previamente.
El dispositivo fue llamado controlador lógico programable PLC, nombre que resalta su
característica más importante: el hecho de que es programable. Esta cualidad permite que el
equipo pueda ser utilizado en una gran diversidad de procesos, ofreciendo a la industria
2.2.1 Componentes básicos de los PLC.
1- Entradas: Constituyen la etapa de entrada del PLC. Desde la parte externa del PLC lucen
como una bornera donde se deben colocar los cables con las señales que provienen de los
transductores, pero internamente están conformadas por circuitos electrónicos que acoplan
esas señales a las especificaciones de señales que el PLC puede manipular.
a-) Entradas digitales: Estas entradas se diseñan para recibir señales cuantizadas de los
sensores de campo. Dichas señales varían sólo entre dos estados. El PLC codifica estas señales
según su amplitud en: 1 lógico para el valor de amplitud mayor, y 0 lógico para el nivel de
amplitud menor. Los niveles de amplitud que el PLC entenderá son definidos por el
fabricante. Este tipo de señales generalmente provienen de transductores como: interruptores,
botoneras, sensores de fin de carrera, etc.
b-) Entradas analógicas: son las que reciben señales analógicas de los transductores de
campo. Estas señales generalmente provienen de sensores que miden el valor instantáneo de
una variable física. Ejemplos de este tipo de señales son: la salida de una tacométrica, de un
fotosensor o de un sensor de nivel. El valor de la señal analógica se transforma en una señal
digital de tal forma que el procesador la pueda manipular. Un aspecto importante de esta
transformación es la resolución con que se realiza en el interior del PLC. Por resolución se
entenderá la cantidad valores cuantizados disponibles para representar una señal analógica.
Por ejemplo, si se tiene sólo dos valores cuantizados para representar una señal que varía de 0
a 5 V, se dice que se tiene una resolución de dos. La resolución depende de las características
de la entrada. La cantidad de valores cuantizados es igual a 2
, con n el número de bits del
registro donde se almacena la variable digital que resulta de la transformación. Generalmente,
en los controladores más sofisticados, se asocia un registro de 16 bits a cada una de las
entradas analógicas, con lo que se tiene una resolución de 2
Según el tipo de señal eléctrica que reciban, las entradas también se clasifican en: de corriente
y de voltaje. A las entradas está asignado un espacio de memoria del PLC llamado imagen de
entradas, el cual contiene la información de todas las entradas en todo momento.
2- Salidas: Internamente son circuitos electrónicos que realizan el acople entre las señales
digitales utilizadas por el PLC y las señales analógicas o cuantizadas que utilizan los
actuadores. Externamente lucen como una bornera donde se realizan las conexiones entre el
PLC y los actuadores .
Las salidas se clasifican, al igual que en el caso de las entradas, en digitales y analógicas. Las
salidas digitales se aplican a actuadores como bobinas de contactores, electroválvulas, etc.
Existen salidas digitales: de voltaje y de relé. Las salidas de voltaje asignan una magnitud de
voltaje, que depende del fabricante, al estado 1 lógico y de 0 V al estado 0 lógico. Las salidas
de relé consisten en un contacto seco que se cierra en el estado1 y se abre en el estado 0.
En el caso de salidas analógicas, los valores de salida están generalmente entre 0 Vdc a 10
Vdc para las salidas de voltaje y de 4 mA a 10 mA para las de corriente, aunque estos valores
varían según el fabricante. Estas señales comandan actuadores como válvulas solenoides,
servomotores, etc.
A las salidas se les asigna un espacio de memoria del PLC llamado imagen de salida, el cual
contiene la información de todas las salidas en todo momento.
2- Unidad central de proceso: ó CPU por sus siglas en inglés. Es el elemento principal de
procesamiento del PLC. Una vez digitalizadas, las señales de entrada son pasadas al CPU, el
cual les aplica el algoritmo de control para generar las salidas. El algoritmo de control está
almacenado en la memoria interna del PLC en forma de un programa, el cual es creado y
almacenado por el usuario. Además de ejecutar el programa, el CPU realiza acciones como
verificación del sistema, actualización de las imágenes de entrada y salida y la medición del
3- Memoria del PLC: es el lugar físico donde residen el sistema operativo, el programa, los
datos de ejecución y las imagenes de entrada y salida. El sistema operativo es un programa
que utiliza el PLC para iniciar su operación y realizar las configuraciones propias de su
La memoria del PLC se clasifica en diferentes clases dependiendo de su modo de acceso y
volatibilidad.
a-) EEPROM: es una memoria de sólo lectura que puede ser escrita por medios electrónicos.
No necesita de una fuente de poder para mantener sus datos. Por su característica no volátil,
se utiliza para guardar datos esenciales, tal como el sistema operativo y el programa.
b-) RAM: es una memoria reescribible de acceso aleatorio que se utiliza para guardar los datos
generados mientras se ejecuta el programa. Es volátil, por lo que los datos almacenados se
pierden si se le suspende la alimentación.
4-) Fuente de poder: Es el elemento que brinda la alimentación a todos los componentes del
PLC. Generalmente los componentes funcionan a bajos voltajes de dc. La fuente realiza la
transformación de los voltajes ac de las lineas de potencia a esos niveles dc.
2.2.2 Tipos de PLC.
Los PLC se clasifican, según la forma como se presentan sus componentes, en: compactos y
Compactos: Todos los componentes se encuentran integrados en un solo gabinete. El ususario
no tiene acceso a ellos, por lo que no los puede modificar. Generalmente se pueden encontrar
con diferentes capacidades en aspectos como: número de entradas, capacidad de memoria,
número de salidas, opciones de comunicación, etc.
Modulares: Consisten en un bastidor donde se introducen los diferentes componentes o
módulos. Los módulos son intercambiables de un bastidor a otro por lo que las capacidades de
un PLC pueden ser ampliadas fácilmente. Generalmente son más costosos que los tipo
compacto, pero son mucho más versátiles y útiles en aplicaciones que exigen adaptabilidad a
2.2.3 Programación de un PLC.
Para que el PLC puede relacionar lógicamente las entradas con las salidas, necesita seguir un
programa en su memoria. El programa tiene descrito, en forma de instrucciones, el algoritmo
de control deseado.
El programa consiste en un archivo o archivos que son generados por la aplicación de
programación. Estas aplicaciones de programación son ejecutadas en dispositivos especiales
como herramientas protátiles o computadores personales. Una vez generado el archivo de
programa, éste se debe descragar a la memoria del PLC.
Las aplicaciones de programación brindan una serie de herramientas al usuario para que
pueda completar la creación de un programa. Entre las herramientas que se suelen ofrecer
están: configuración de los componentes del PLC que se utilizará, opciones de comunicación,
diferentes editores de programa, un compilador y plataformas de simulación y de monitoreo.
La plataforma de simulación sirve para corroborar el funcionamiento del programa,
facilitando la puesta en marcha en el campo. La plataforma de monitoreo ayuda al operario a
verificar el correcto funcionamiento del sistema desde un equipo remoto como un PC.
Las instrucciones que contiene el programa son ejecutadas secuencialmente de forma
repetitiva por el CPU.
La mayoría de los fabricantes ofrecen tres editores de programa: lista de instrucciones,
escalera y diagrama de flujo.
Lista de instrucciones: consiste es una programación por texto, en la cual se le indica al CPU
la operación a realizar mediante un comando. Los comandos que se pueden utilizar están
predeterminados por el fabricante.
Escalera: Es un lenguaje gráfico que se parece mucho a los diagramas en escalera que se
acostumbran en el control convencional. Su lógica incluye los conceptos de contactos
normalmente abiertos, cerrados, salidas hacia bobinas, etc.
Diagrama de función: es un lenguaje gráfico por bloques, en el que se dispone de una serie
de bloques que realizan funciones específicas. La lógica del programa se logra al
interconectar los bloques.
2.2.4 Tiempo de ciclo de programa.
El controlador requiere un tiempo para procesar el programa. Dicho tiempo se conoce como
tiempo de ciclo de programa, y depende de la cantidad, tipo de instrucciones del programa y
de la velocidad del CPU del PLC.
Capítulo 3: Descripción del PLC SLC 500 de Allen Bradley
La serie SLC 500 de Allen Bradley es una familia de PLC modulares que ofrecen una gran
cantidad de opciones en módulos de entradas y salidas, comunicación y memoria. Además
ofrecen diferentes tipos de CPU según las características de la aplicación.
3.1 Componentes del PLC SLC 500 de Allen Bradley disponible en el Laboratorio de
Automática de la Escuela.
A continuación se describirán los módulos específicos de la serie SLC500 que fueron utiliza-
dos en este proyecto.
Bastidor 1746-A7: Este bastidor tiene una capacidad de siete módulos. Cada módulo debe
ocupar una ranura. Las direcciones de las ranuras son 0 a 6, asignadas de izquierda a derecha.
La fuente se debe colocar en un espacio especial, fuera del área de ranuras, en el extremo
izquierdo del bastidor. El CPU debe colocarse en la ranura 0.
Fuente de alimentación 1746-P2: Esta es la fuente que alimenta los módulos del PLC. El
voltaje de entrada debe estar en el rango de 85-132/170-255 Vac, 47-63 Hz. Tiene un voltaje
de salida de 5/24 Vdc. Su consumo típico de potencia es de 135 VA. La selección de la fuente
depende del consumo de los módulos que se utilizarán.
CPU SLC 5/05 1747-L551: Este CPU tiene una capacidad de memoria de 16Kbits. Puede
direccionar hasta un máximo de 4096 entradas y salidas digitales pues soporta hasta 3
bastidores y 30 ranuras de conexión. Poseé dos canales de comunicación:
Canal 1: protocolo de capa física RS-232 full-duplex master/slave.
Canal 2: protocolo de capa física Ethernet TCP/IP.
Ambos canales soportan los protocolos de comunicación DH-485, ACSII RS-232, Data
highway plus, Ethernet, Devicenet, Controlnet.
Además, el CPU tienen una capacidad de memoria para programa de hasta16 mil palabras y
una memoria Flash de respaldo.
Módulo de entradas digitales 1746-IA16: consiste en 16 entradas digitales que asignan el
estado verdadero al voltaje de 100/120 Vac. Se tienen 16 bornes para los voltajes de entrada y
un borne para el común o neutro. Los ámbitos de operación para la entrada son 85 a 132 Vac,
47 a 63 Hz. El consumo es de 85mA a 5 Vdc de alimentación.
Módulo de salidas digitales 1746-OW16: El módulo consta de 16 salidas tipo relé, con dos
puntos comunes. Por ser contactos de relé, los niveles de las señales de salida se establecen
por el usuario. Consume 170 mA a 5 Vdc. Cada contacto está diseñado para soportar hasta
2.5A a 120Vac.
Módulo de entradas/salidas analógicas 1746-NIO4I: en este módulo se tienen dos entradas
analógicas de corriente ó voltaje (seleccionable por medio de un interruptor en el módulo) y
dos salidas analógicas de corriente. Las entradas del módulo convierten las señales de entrada
analógicas en un valor de 16 bits que se guarda en la memoria del PLC. La siguiente tabla
muestra los rangos decimales de la imagen de entrada, el número de bits significantes y la
resolución, según el rango de la entrada.
Rango de entrada Rango decimal, imagen de entrada Número de bits
-10 Vdc a 10 Vdc -32768 a +32767 16 0.305 mV
0 a 10 Vdc 0 a 32676 15 0.305 mV
0 a 5 Vdc 0 a 16384 14 0.305 mV
-20 mA a 20 mA -16384 a 16384 15 0.00122 mA
0 mA a 20 mA 0 a 16384 14 0.00122 mA
Tabla 3.1 Características del convertidor A/D de los canales de entrada del módulo NIO4I.
La siguiente ecuación sirve para calcular el valor en voltios de la magnitud de la señal de
10 V/32768 * valor de entrada = voltaje de la señal. (3.1)
Con valor de entrada: valor decimal del dato de 16 bits guardado en la imagen de entrada.
Las salidas son señales analógicas cuantizadas. La siguiente tabla muestra el número decimal
equivalente en la imagen de salida, el número de bits significantes y la resolución según el
rango de la salida.
Rango de salida Rango decimal, imagen de salida Número de bits
0 a 21 mA 0 a 32,764 13 bits 2.56348 µA
0 a 20 mA 0 a 31,208 12.92 bits 2.56348 µA
4 a 20 mA 6,242 a 31,208 12.6 bits 2.56348 µA
Tabla 3.2 Características del convertidor D/A de los canales de salida del módulo NIO4I.
La figura 3.1 muestra cómo se realizan las conexiones en este módulo.
Figura 3.1 Alambrado del módulo de entradas/salidas analógicas.
La siguiente ecuación sirve para calcular el valor decimal que debe ser movido a la imagen de
salida, para obtener una señal de salida con una magnitud en miliamperes.
32768/21mA * corriente deseada (mA) = valor decimal a grabar. (3.2)
-Aislamiento en las entradas de hasta 500 V.
-Tiempo de actualización de valores en entradas y salidas de 512 us.
-Ambito de entrada -20 a 20 mA/-10 a 10 V.
-Codificación del módulo para la señal de entrada: -32768 a 32767 (decimal).
3.2. Programación del PLC SLC 500.
Los programas necesarios para programar el PLC SLC 500 son: RSLinx y RSLogix,
propiedad de Allen Bradley. Estos programas son diseñados para un PC con una plataforma
Windows de 32 bits versión 95 ó superior.
El programa RSLinx es una aplicación de comunicación entre los sistemas operativos
Windows de 32 bits versión 95 ó superior y una serie de aplicaciones creadas por Rockwell
Software para Allen Bradley, entre ellas, RSLogix.
En la aplicación RSLogix el usuario puede configurar el PLC y programar el algoritmo de
control. Configurar el PLC es importante, pues se debe corroborar que las direcciones de las
variables de entrada/salida que se utilizan en el programa corresponden realmente a los
módulos conectados al bastidor. RSLogix permite escribir el programa y descargarlo en el
RSView32 es un programa que permite al usuario crear animaciones, simulaciones e
interfaces gráficas entre el PLC y un computador personal. La interface permite monitorear,
modificar e introducir comandos al programa que está almacenado en el PLC. RSView32 está
diseñado para ser ejecutado en una computadora personal con un sistema operativo Windows
de 32 bits versión 95 ó superior.
3.2.1 Tiempo de ciclo del PLC SLC 500.
La operación básica del CPU es ejecutar, de forma repetitiva, el programa que fue cargado por
el usuario en la memoria del PLC. El tiempo de ciclo es el tiempo que requiere el CPU para
ejecutar ese programa una sola vez. Este tiempo se divide en:
Tiempo de actualización de entradas: Durante esta etapa, el CPU lee los datos de entrada y
genera una imagen de entrada que almacena en un espacio de la memoria.
Tiempo de ejecución de programa: Aquí el CPU ejecuta, línea por línea, las instrucciones del
Tiempo de actualización de las salidas: Durante este intervalo el CPU escribe los nuevos
datos obtenidos del algoritmo de control en la imagen de salida.
Tiempo de configuración: es el tiempo utilizado por el CPU para operaciones internas propias
3.2.2 Programación del PLC mediante la aplicación RSLogix.
La aplicación RSLogix permite crear y cargar un programa en el PLC. Además permite
actualizarlo y modificarlo según lo requiera el usuario.
Para realizar un programa se deben seguir los siguientes pasos:
1. Abra el programa RSLogix, previamente instalado en un computador personal.
2. Crear un proyecto nuevo. En el cuadro de diálogo que se despliega, se debe dar un nombre
al procesador ó CPU, escoger el tipo de CPU. En manipulador “Driver”, se debe escoger el
manipulador creado en la aplicación RSLinx. Además, se debe escoger un nodo
“Processor Node” de comunicación que se asignará al PLC.
3. En la ventana del proyecto, seleccionar la opción configurar IO “IO Configuration” en la
carpeta Controlador “Controller”. Aquí, se deben configurar los módulos que están
instalados en el PLC, especificando el modelo y el número de ranura que ocupan. Se debe
escoger, también, el modelo de la fuente instalada en el bastidor. La configuración de los
componentes del PLC es muy importante, pues identifica las direcciones de entrada o
salida válidas, y, dependiendo del CPU instalado, las funciones que puede realizar el PLC.
4. En el menú “Comms” y en la opción Comms de sistema “System Comms” se debe escoger
el Nodo de Procesador “Processor Node” definido en el paso 2. Además, en última
configuración “Last Configured” se debe escoger el nombre de la estación con que se está
trabajando según RSLinx. Después se debe presionar Aplicar “Apply”. Si la configuración
está bien realizada, en el espacio Manipulador “Driver” deberá aparecer: AB_DF1-1.
5. Ahora se puede proceder a crear el programa que especificará el algoritmo de control. El
área de programación esta a la derecha, en la ventana del proyecto. Para introducir
instrucciones de programa en una línea, ésta se debe seleccionar, marcándola en rojo. Las
instrucciones están disponibles en una barra deslizable sobre el área del programa. Estas
instrucciones serán colocadas en la fila seleccionada en el orden que el usuario las
6. Una vez que se ha terminado de introducir la lógica del algoritmo de control, se debe
corroborar que no se han cometido errores de sintáxis. Para ello, se puede seleccionar la
opción verificar programa “verify program” en el menú Editar “Edit”.
7. Si el programa no tiene errores, puede ser guardado con un nombre adecuado en un
directorio del PC, bajo la extención “.RSS”. Una vez guardado se descarga al PLC. Para
ello conecte el PLC a la computadora, mediante el cable serial. En el botón que dice Fuera
de linea “OFFLINE” en la esquina superior izquierda de la ventana del proyecto, escoja la
opción Descargar “DOWNLOAD”. El programa será transferido al PLC. Una vez
terminada la descarga, RSLogix preguntará si se quiere Estar en linea “go on line”, esto
significa que el programa puede ser monitoreado y modificado desde el PC. Si escoge
NO, la computadora queda desconectada del PLC. Si se escoge SI “YES”, la función en
línea queda activa.
8. Una vez que todo el equipo ha sido conectado y revisado, se puede poner en marcha la
ejecución del programa. Para ello se debe girar la llave en el panel frontal del PLC a la
posición CORRER “RUN”.
3.2.2.1 Elementos Básicos de los programas escritos en la aplicación RSLogix.
El programa contiene el algoritmo que utiliza el PLC para obtener las salidas a partir de una
configuración de entradas dada.
La serie de procesadores SLC 500 tiene un set de instrucciones, codificadas en lenguaje
escalera, que especifican todas las operaciones que el PLC puede realizar. Los objetos sobre
los que las instrucciones actúan se llaman elementos de lenguaje. Estos elementos residen en
la memoria interna del PLC. La memoria está estructurada en archivos, cada uno con una
capacidad de 256 elementos. Cada elemento está formado de 16 bits, 32 bits o 48 bits
dependiendo del tipo de archivo. Existen archivos de datos y de programa.
3.2.2.1.1 Elementos de Lenguaje.
Dependiendo del tipo, los archivos de dato se pueden clasificar en: salida, entrada, estado, bit,
temporizador, contador, control, entero y punto flotante. Existen 256 archivos de dato
disponibles. El tipo de archivo específico es definido por el usuario, excepto para los primeros
9, los cuales están definidos con un tipo predeterminado. La forma en que el CPU direcciona
un elemento dentro de un archivo depende de la clase de archivo que se trate. Un elemento,
entonces, es caracterizado por el archivo en donde se encuentra. Para el caso de los archivos
de programa existen solamente dos tipos: de sistema y de programa.
Archivos de salida y entrada, elementos de salida y entrada.
Los archivos 0 y 1 son los de tipo salida y entrada respectivamente. Estos dos tipos no pueden
ser asignados a otros archivos. Estos son las imágenes de las entradas y salidas del PLC. Cada
ranura del bastidor del PLC tiene asignado un elemento de estos archivos. Cada elemento
consta de 16 bits, y cada bit representa un borne de conexión en el módulo. En el caso de las
entradas/salidas analógicas, se asigna un elemento a cada entrada o salida.
Direccionamiento de los elementos de archivos salida y entrada.
El formato de direccionamiento de los elementos dentro de estos archivos es como sigue:
O:e.s/b para las salidas.
I:e.s/b para las entradas.
El significado de cada parte de la dirección es:
O: salida.
I: entrada.
e: se refiere al número de ranura donde se encuentra el módulo que se quiere direccionar.
s: número de elemento. Esto es necesario sólo si el número de entradas/salidas excede 16.
b: número de terminal. Es el borne específico que se quiere direccionar. Van de 0-15.
Archivos de estado, elementos de estado.
El archivo de datos número 2 y los de programa 0 y 1 son de tipo estado. Ningún otro archivo
puede ser definido como de estado. Estos archivos son manipulados exclusivamente por el
CPU, por lo tanto no pueden ser modificados ni borrados por el programa de control. Sin
embargo, poseen información valiosa para la toma de decisiones, por lo que se pueden leer.
Cada elemento dentro de esos archivos representa alguna información.
Direccionamiento de los elementos de archivos de estado.
S:e/b
S: archivo de estado.
e: se refiere al número elemento dentro del archivo. Para cada archivo se tiene un ámbito de 0
b: número de bit. Localiza la información específica en caso de que ésta sea de la forma de bit.
Van de 0-15.
Archivos de bit, elementos de bit.
El archivo de datos número 3 es de tipo Bit. Cualquier otro archivo de dato del 9 al 255 puede
ser asignado como de tipo bit. Estos archivos son variables de apoyo para la lógica del
programa. Generalmente se utilizan como marcas internas de memoria que almacenan
resultados parciales, condiciones de verdadero o falso, elementos de decisión para la ejecución
de subrutinas, etc.
Direccionamiento de los elementos de archivos de bit.
Existen dos formatos para direccionar las marcas ó bits dentro de los archivos de bit:
Bf:e/b se direcciona el bit a través de la palabra.
Bf/b: se direcciona el bit directamente.
B: archivo de bit.
f: número de archivo. Por defecto 3. Se pueden definir los archivos de datos del 9-255 como
b: número de bit. Esta es la dirección de un bit en una palabra. Varía de 0-15 para el primer
caso. Para el segundo caso, no es necesario especificar la palabra, y el ámbito es de 0 a 4095.
Archivos de temporizador, elementos de temporizador.
El archivo de datos número 4 es de tipo temporizador. Cualquier otro archivo de dato del 9 al
255 puede ser asignado de tipo temporizador. Este tipo de archivo es utilizado por el bloque de
instrucción de temporizador. Este bloque consta de 3 palabras. La palabra 0 es la palabra de
estado. La palabra 1 indica el valor preestablecido del temporizador y la palabra 2 guarda el
valor actual de la cuenta.
Los bits de estado son EN, TT, DN, los cuales indican si el temporizador está habilitado, si
esta contando o si ya terminó su cuenta, respectivamente.
Direccionamiento de los elementos de archivos de temporizador.
El formato de direccionamiento es el siguiente:
T: archivo tipo temporizador.
f: número de archivo de datos. Por defecto 4. Sin embargo cualquier archivo del 9 al 255
puede ser definido de tipo temporizador.
e: número de elemento. Rango 0-255. Cada elemento es de 3 palabras.
s: número de palabra dentro del elemento.
b: número de bit. Rango de 0-15.
Archivos de contador, elementos de contador.
El archivo de datos número 5 es de tipo contador. Cualquier otro archivo de dato del 9 al 255
puede ser asignado como de tipo contador. Este tipo de archivo es utilizado por las
instrucciones de contador. Cada dirección de contador está formada de un elemento tipo
contador de 3 palabras. La palabra 0 es la palabra de estado y contiene los bits de estado de la
instrucción. La palabra 1 indica el valor preestablecido del contador y la palabra 2 guarda el
valor acumulado de sucesos (transiciones de 0 a 1).
Los bits de estado son:
CU: contador incremental habilitado.
CD: contador decremental habilitado.
DN: cuenta alcanza valor preestablecido.
OV: bit de rebase.
UN: bit de cuenta baja.
UA: bit de actualización de acumulador.
Direccionamiento de los elementos de archivos de contador.
C: archivo tipo contador.
f: número de archivo de datos. Por defecto 5. Sin embargo cualquier archivo del 9 al 255
puede ser definido como tipo contador.
s: número de palabra dentro del elemento. Rango de 0-2.
Archivos de control, elementos de control.
El archivo de datos número 6 es de tipo control. Cualquier otro archivo de dato del 9 al 255
puede ser asignado como de tipo control. Los elementos de este tipo de archivo constan de 3
palabras que son utilizadas por las instrucciones FIFO, LIFO, ABL, ACB, AHL, ARD, AWA,
y AWT. La palabra 0 es la palabra de estado y contiene los bits de estado de la instrucción. La
palabra 1 indica la longitud del dato guardado y la palabra 2 indica la posición.
Direccionamiento de los elementos de archivos de control.
Rf:e.s/b
R: archivo tipo control.
f: número de archivo de datos. Por defecto 6. Sin embargo cualquier archivo del 9 al 255
puede ser definido como tipo control.
e: número de elemento. Ambito 0-255. Cada elemento es de 3 palabras.
s: número de palabra dentro del elemento. Ambito de 0-2.
b: número de bit. Ambito de 0-15.
Archivos de número entero, elementos de número entero.
El archivo de datos número 7 es de tipo número entero. Cualquier otro archivo de dato del 9 al
255 puede ser asignado como de tipo número entero. Los elementos de este tipo de archivo
constan de 1 palabra y son utilizados por el programa del usuario, en cada aplicación en la que
se necesite almacenar temporalmente un dato de 16 bits. El direccionamiento puede ser a nivel
de elemento (palabra) o a nivel de bit.
Direccionamiento de los elementos de archivos de número entero.
Nf:e/b
N: archivo tipo número entero.
f: número de archivo de datos. Por defecto 7. Sin embargo cualquier archivo del 9 al 255
puede ser definido como tipo número entero.
e: número de elemento. Ambito 0-255. Cada elemento es de 1 palabra.
Archivos de número en coma flotante, elementos de número en coma flotante.
El archivo de datos número 8 es de tipo número en coma flotante. Cualquier otro archivo de
dato del 9 al 255 puede ser asignado como de tipo número en coma flotante. Los elementos de
este tipo de archivo constan de 2 palabras. Son utilizados por el programa del usuario en cada
aplicación en la que se necesite almacenar un dato de 32 bits, para lograr mayor precisión en
los resultados. El direccionamiento puede ser a nivel de elemento (palabra).
Direccionamiento de los elementos de archivos de número en coma flotante.
F: archivo tipo número en coma flotante.
f: número de archivo de datos. Por defecto 8. Sin embargo cualquier archivo del 9 al 255
puede ser definido como tipo número en coma flotante.
e: número de elemento. Ambito 0-255. Cada elemento es de 2 palabras.
3.2.2.1.2 Conjunto de instrucciones de la familia SLC 500.
El lenguaje de escalera es el más comúnmente utilizado en la programación de los PLC, por
ello es de inclusión obligatoria por los fabricantes en el conjunto de lenguajes de
programación de sus PLCs. Esto es debido a su similitud con los diagramas de contactores en
el control convencional. De esta forma el usuario es capaz entender rápidamente la lógica del
El lenguaje se estructura de la siguiente forma. Se compone de una serie de filas, cada una se
ejecuta una sola vez. El estado de las variables que se consultan, a la hora de procesar una fila,
es el que resulta de la lógica de las filas anteriores, a excepción de las variables de archivo de
salida y entrada, las cuales se actualizan hasta el final de la pasada actual del programa.
Una fila puede tener hasta 5 instrucciones de bit básicas, y una instrucción de bloque
avanzado. Si se utilizan las instrucciones de bit, en una fila deben estar presentes al menos 2
instrucciones, una de tipo consulta y otra de tipo salida. Si se utilizan instrucciones de bloques
avanzados, no es necesario que existan instrucciones de bit tipo consulta o tipo salida.
1- Instrucciones básicas.
Las instrucciones básicas se caracterizan por actuar sobre bits de elementos tipo bit.
A continuación se presentan las instrucciones básicas más comunes.
XIC: Esta instrucción consulta el estado de un bit. Si el bit es 1, la instrucción es evaluada
como 1, si el bit es 0, la instrucción es 0. El símbolo escalera se muestra a continuación:
El direccionamiento del bit a consultar se realiza al escribir la dirección del mismo en el
espacio habilitado para tal fin en el editor de programa.
XIO: Esta instrucción consulta el estado de un bit. Si el bit es 0, la instrucción es evaluada
como 1, si el bit es 1, la instrucción es 0. El símbolo escalera se muestra a continuación:
OTE: Esta instrucción establece el bit direccionado si las instrucciones de consulta de la
misma fila son evaluadas como 1. En caso contrario, el bit permanece con su valor en 0. El
símbolo escalera se muestra a continuación:
El bit que fue puesto es 1 por esta instrucción permanecerá así hasta que las condiciones que
están siendo evaluadas cambien, de tal forma que las instrucciones de consulta sean 0.
OTL y OTU: La instrucción OTL establece el bit direccionado si las instrucciones de
consulta de la fila en que se encuentra son 1, sin embargo esta instrucción sólo es capaz de
establecer el bit, por lo que el mismo permanecerá en 1, aun si las instrucciones de consulta
cambian su estado a 0. La instrucción OTU reestablece el bit direccionado si las instrucciones
de consulta son 1. Al igual que la anterior esta sólo puede reestablecer el bit. Por su
naturaleza, estas instrucciones se utilizan en pareja direccionando el mismo bit. El símbolo
escalera para cada instrucción se muestra a continuación:
OSR: esta instrucción es de tipo consulta y es 1 si las instrucciones de consulta de su fila
cambian de 0 a 1. La instrucción permanece en 1 sólo durante un ciclo de programa, pues la
instrucción evalúa sólo el cambio de las condiciones de consulta de 0 a 1, no el estado 1 en sí.
El símbolo de la instrucción es:
Esta instrucción puede ser seguida de instrucciones de salida, así como de más instrucciones
de consulta y bloques de función.
2- Instrucciones de bloque de función avanzado.
Instrucciones de temporizador
Estas instrucciones tienen los siguientes parámetros.
ACC: Es un registro que lleva el tiempo desde que la instrucción fue reestablecida por última
PRE: es el valor que el temporizador debe alcanzar para establecer el bit DN.
Base de tiempo “Timebase”: La cuenta se aumenta cada vez que un periodo igual a la base de
TON: Esta instrucción establece o reestablece una salida de bit cuando el valor en el registro
PRE ha sido alcanzado. La instrucción empieza a contar a partir de que las instrucciones de
consulta de su fila son 1. Sin embargo la función es reestablecida y el valor de cuenta actual
también si las instrucciones de consulta cambian a 0.
Los bits de estado de la instrucción son:
DN: se establece si el valor actual de cuenta es igual o mayor al valor preestablecido.
TT: se establece si las condiciones de la fila son 1 y el valor actual de la cuenta es menor al
del valor preestablecido.
EN: se establece si las condiciones de la fila del bloque son 1.
TOF: Esta instrucción establece o reestablece una salida de bit cuando el valor en el registro
consulta de su fila son 0. Sin embargo la función es reestablecida y el valor de cuenta actual
también, si las instrucciones de consulta cambian a 1.
DN: se reestablece si el valor actual de cuenta es igual ó mayor al valor preestablecido.
TT: se establece si las condiciones de la fila son 0 y el valor actual de la cuenta es menor al
Instrucciones manipulación de datos.
MOV: ésta es una instrucción de salida que mueve el dato de la dirección de fuente a la
dirección de destino, si las instrucciones de consulta de su fila son 1.
Los parámetros de este bloque son:
Fuente “source”: Aquí debe especificarse la dirección de la palabra que contiene el dato que
se quiere mover. También es posible que este parámetro sea una constante.
Destino “Dest”: Esta es la dirección donde se moverá el dato.
MVM: Esta es una instrucción que mueve un dato de una dirección fuente a una dirección
destino y que además permite que el dato sea enmascarado por una palabra separada si las
instrucciones de consulta de su fila son 1. Los parámetros de este bloque son:
Máscara “Mask”: Es la dirección de la palabra que contiene la máscara con la cual se
enmascarará el dato de la fuente. Este parámetro puede ser una constante.
Los bits en la fuente que coinciden con ceros en la máscara son ignorados de tal forma que
esos bits en el contenido del destino no son alterados. Los bits en la fuente que coinciden con
unos en la máscara son copiados sin cambio en la palabra de destino.
Instrucción proporcional, integral, derivativa.
Este bloque de instrucción aplica el algoritmo PID sobre variables internas tipo entero de 16
bits. Se utiliza generalmente en lazos cerrados de control de procesos de variables físicas
como temperaturas, presiones, niveles o flujos.
Las variables del sistema de control en lazo cerrado que son monitoreadas por el controlador
son: la variable controlada (VC) y el valor deseado (VD). Así mismo, la salida de controlador
(SC) manipulará el actuador del sistema de control.
La figura 3.2 muestra el control del nivel de un tanque mediante un lazo cerrado en modo
servomecanismo, donde el controlador es el PLC.
Figura 3.2 Sistema de control de lazo cerrado con controlador digital.
Es importante notar que las variables físicas son medidas y transformadas a señales eléctricas
por los transductores, que sirven como parte del enlace entre el sistema hidráulico y el
controlador digital. Los dos transductores que se muestran son: la válvula de control y el
sensor de nivel. Todas las señales digitales están definidas dentro del controlador, los módulos
de entradas y salidas analógicas realizan las conversiones de analógico a digital. El valor de
consigna ó valor deseado es una señal digital, la cual es manipulada por el usuario mediante
una interface hombre-máquina.
Esta instrucción necesita de un bloque de 23 palabras de un archivo tipo entero para operar
debidamente. Ese bloque contiene los valores de resultados parciales que la instrucción
obtiene mientras realiza la operación PID. Además contiene palabras con parámetros del
bloque y bits de control.
La salida de la instrucción es escrita como un elemento tipo número entero. Este elemento
puede estar en el mismo archivo donde está el bloque de parámetros, pero no puede ser parte
de él. Este elemento es la señal de salida del controlador SC, por ello al final del programa
debe ser movido a la imagen de salidas del PLC.
El valor consigna VD es una palabra de 16 bits creada en una dirección en el mismo bloque de
La variable controlada VC reside en un elemento tipo entrada correspondiente al módulo de
entradas analógicas y debe ser movida a un elemento de 16 bits tipo entero en el mismo
archivo donde está el bloque de control de la instrucción PID.
Un valor adicional de nivel dc puede ser sumado a la señal de salida de la algoritmo de
La ecuación PID que es implementada por el PLC es la siguiente.
con E=VD-VC.
Aquí se nota que el modo derivativo es aplicado sólo a la variable controlada. Los términos
KC, KC/TI y KC*TD son las ganancias de los modos proporcional, integral y derivativo,
Los parámetros del bloque de función son: ganancia del controlador KC, término de
reestablecimiento TI, término de razón de cambio TD. La relación de éstos con los términos
ganancia proporcional K
, tiempo integral T
y tiempo derivativo T
en un algoritmo PID ideal
KC (sin unidades) = K
(sin unidades)
"Salida del controlador" KC E
d ⋅ + TD
⋅ "valor dc" + :=
TI (minutos) = T
/ 60 (T
i en segundos)
TD(minutos) = T
en segundos)
Los ámbitos de los parámetros del bloque de función se muestran en la tabla 3.3.
Constante Límites
KC 0.01-327.67
TI 0.01-327.67 (minutos)
TD 0.01-327.67 (minutos)
Tabla 3.3 Los ámbitos de los parámetros KC, TI y TD del bloque de función PID.
La distribución de las palabras del bloque de parámetros de esta función se muestra en la
Al programar esta función en el lenguaje escalera, se coloca el bloque de función en una fila
sin instrucciones de consulta. Además se introduce en la instrucción la dirección del bloque de
parámetros, la variable controlada y la salida del controlador.
Figura 3.3 Bloque de parámetros del bloque de función PID.
La modificación de los parámetros del bloque de función puede ser realizada mediante lógica
de escalera, o mediante la ventana de parámetros del bloque de función, la cual puede ser
desplegada dando doble click izquierdo en bloque de función. La figura 3.4 muestra la ventana
Figura 3.4 Ventana de parámetros del bloque de función PID.
A continuación se presenta una explicación de los parámetros del cuadro anterior.
Ganancia del controlador “Controller Gain” KC: es la ganancia del controlador. Ambito
0-327.67 ó 0-32767 en decimal.
Término de reestablecimiento “Reset Term” TI: es la ganancia del modo integral. Ambito
0-327.67 repeticiones por minuto ó 0-32767 en decimal.
Término de régimen “Rate term” TD: es la ganancia del modo derivativo. Ambito 0-327.67
minutos ó 0-32767 en decimal.
Valor dc “Feed Forward/Bias”: es un nivel dc que se suma a la salida del controlador.
Ambito: -16383-16383.
Modo “Mode” TM: determina el modo de actualización de la salida del controlador. Estados:
0 (modo STI) - 1 (modo temporizado). El modo STI implica que la salida se actualizará cada
vez que el programa del controlador ingrese a la subrutina donde está definida la instrucción
PID. En el modo temporizado, el bloque PID actualiza la salida cada vez que el intervalo de
tiempo que especifica el parámetro actualización del bloque de función PID “Loop
Update” ha pasado. Asegúrese que este intervalo de tiempo sea diez veces mayor que el
tiempo de ciclo del programa del PLC.
Actualización del bloque de función PID “Loop Update”: es el intervalo de tiempo que
debe pasar entre cada actualización de la salida del Bloque de función PID. Ambito 0.01-10.24
segundos ó 1-1024 en decimal.
Error “Scaled error”: es el valor de la señal E, la diferencia entre la variable controlada y el
valor consigna. Ambito -32768-32767 decimal.
Auto/Manual AM: Especifica si la salida del bloque de control es manipulada por el
algoritmo PID (Auto) o por el programa del usuario (Manual). Estados: 1(Manual)-0(Auto).
Control “Control” CM: Especifica cómo se calcula la variable E. Estados: 0 (E=VD-VC)-
1 (VC-VD).
Capítulo 4: Implementación del proyecto de control
El proyecto consiste en controlar un proceso mediante un PLC, en un lazo realimentado. Se
utilizará el algoritmo PID para lograr que la variable controlada del proceso cumpla con
ciertas especificaciones. El proceso será una planta electrónica analógica constituida por
amplificadores operacionales. La salida del controlador se acopla directamente a la planta, y la
señal realimentada es igual a la variable controlada. El sistema se comportará como un
servomecanismo, en el que la variable controlada (la salida de la planta electrónica) seguirá el
valor de la señal de consigna.
Se fabricará una interfece al ususario que correrá en un PC utilizando la aplicación RSView32,
programa propiedad de Allen Bradley. Mediante esta interface, el usuario podrá variar los
parámetros del controlador y monitorear las señales: variable controlada y salida del
controlador. Además, la señal de consigna será transmitida al PLC a través de esta interface.
En este capítulo, la implementación se separará en dos etapas. En la primera etapa se
realizarán las conexiones necesarias entre los equipos. Estás conexiones se dividen en control
y comunicación. En la segunda etapa, se especificará la configuración del equipo,
programación del PLC y creación de la interface al usuario. En esta etapa se debe definir cómo
se distribuirá la memoria del PLC, a cuales de los registros del bloque de función PID tendrá
acceso el usuario y que funciones de control se tendrán sobre el proceso.
En el apartado 4.3 se realiza la sintonización de los parámetros del algoritmo PID. Se modela
el sistema matemáticamente, con el fin de comparar los resultados experimentales.
4.1 Etapa 1: Conexión del equipo.
Se presenta a continuación las conexiones necesarias para implementar el proyecto.
Las características de la planta electrónica se presentan a continuación:
Señal de entrada: 0-10V.
Alimentación externa: 110Vac. 60Hz.
La constante de tiempo de la planta, así como su retardo de transporte, pueden ser escogidos
mediante interruptores en su panel forntal.
El equipo específico que se utilizará es el siguiente:
Nombre del Equipo Marca Modelo Cantidad
Procesador SLC 5/05 Allen Bradley 1747-L551 1 1
Bastidor Allen Bradley 1746-A7 1
Fuente de alimentación Allen Bradley 1746-P2 1
Módulo de entradas digitales Allen Bradley 1746-IA16 1
Módulo de salidas digitales Allen Bradley 1746-OW16 1
Módulo de entradas/salidas analógicas Allen Bradley 1746-NIO4I 1
Cable PLC-PC Allen Bradley 1
Planta electrónica 1
Amplificador operacional National LM358 1
Resistencias 470Ω 2
Tabla 4.1 Equipo a utilizar en el proyecto.
La figura 4.1 muestra la forma en que se deben conectar entre sí los equipos utilizados.
Figura 4.1 Conexión del equipo necesario para realizar el control sobre la planta proceso.
El modelo matemático de esta planta es:
representan el tiempo muerto y las constantes de tiempo respectivamente.
El bloque módulo de conversión de señal, transforma la señal de corriente, que proviene del
módulo de salida del PLC, en una señal de voltaje que pueda ser interpretada por la planta. El
diagrama esquemático de este bloque se muestra a continuación:
Figura 4.2 Bloque de conversión de señal.
Como se puede notar en la figura anterior es necesario alimentar con +24Vdc al amplificador
operacional LM358.
Como la salida del módulo de entradas/salidas analógicas puede variar entre 0 y 10 mA, la
salida del bloque de conversión de señal variará de 0 a 4.7 Vdc.
4.2 Etapa 2: Configuración del equipo.
En este apartado se realizará la configuración necesaria para poner en marcha un programa en
el PLC. Para realizar esto, es necesario utilizar los programas RSLinx y RSLogix de Rockwell
Software. RSLinx es el primero que se debe ejecutar, pues éste permite la cominicación entre
el PLC y la computadora personal. RSLogix es la herramienta de programación del PLC.
Mediante este programa se puede crear el algoritmo de control deseado y descargarlo al PLC.
RSView32 es necesario para realizar la interface al ususario.
Antes de programar el PLC, es necesario establecer ciertos aspectos de la estructura de
comunicaciones, opciones de control y estructura de memoria de las palabras y bits de la
memoria interna del PLC, ya que esta información es la base del programa del PLC.
4.2.1 Aspectos preliminares.
4.2.1.1 Comunicaciones.
Las comunicaciones se establecen en el protocolo de capa física RS-232. La conexión sigue
una topología punto a punto entre el puerto 1 del PLC y el puerto serie del computador.
Parámetros del protocolo RS-232.
Velocidad: 19200 baudios.
Paridad: No.
Fin de trama: 10.
Time out respuesta: 1s.
Time out de trama: 4ms.
4.2.1.2 Opciones de control.
Se tendrá un control mediante la interface creada en RSView32. El usuario podrá sintonizar
los parámetros del PID; cambiar el valor consigna, ya sea continuamente ó en un cambio tipo
escalón de 0 V a 2.5 V, y monitorear el valor de la variable controlada y de la salida del
4.2.1.3 Estructura de memoria.
La forma en que se estructura la memoria interna del PLC se muestra en la tabla 4.2. donde se
especifica la dirección de la variable, el tipo de dato y una breve descripción del uso que se le
da en el programa.
Dirección Tipo de
B11:0/0 BIT BIT Incremento de valor consigna
B11:0/0 BIT BIT Decremento de valor consigna
N10:1 Entero Entero Vector de valor -1
N10:0 Entero Entero Valor temporal de consigna
N7:0-N7:31 Entero Entero Bloque de parámetros de función PID
N7:30 Entero Entero Variable controlada
N7:31 Entero Entero Salida del controlador
I:2.0 Entrada Entrada Imagen de entrada. Variable controlada
O:2.0 Salida Salida Imagen de salida. Salida del controlador
Tabla 4.2 Estructura de memoria.
4.2.2 Configuración de las comunicaciones mediante el programa RSLinx.
Para poder tener una comunicación entre el PLC y el computador donde se utilizarán RSLogix
y RSView32, se debe ejecutar y configurar RSLinx. Para ello, abra RSLinx mediante el
vínculo en el apartado ROCKWELL SOFTWARE, en el submenú programas del menú inicio
NOTA: si está utilizando su PC en una red de area local o está utilizando la plataforma
Windows XP, ejecute primero el Panel de control de servicio RSLinx “RSLinx Service
Control Panel” presionando Iniciar “Start” en la ventana que se despliega, para ejecutar
después RSLinx.
Seguidamente se debe configurar el controlador de la comunicación entre el PC y el PLC. En
el menú Comunicaciones “Communications” se debe escoger la opción Configurar
controlador “Configure Driver”. En el recuadro controladores disponibles “Available Drivers”
escoger el controlador RS-232 DF1 Devices, presionando agregar nuevo “Add New”.
En la pantalla que se despliega, configure lo siguiente:
Nombre del artefacto “Device Name”: AB_DF1-1.
Puerto Comm “Comm Port”: COM1.
Artefacto “Device”: SLC-CH0/Micro/PanelView.
Taza de baudios “Baud Rate”:19200.
Número de Estación “Station Number”: 00.
Paridad “Parity”: None.
Revisión de Error “Error Checking”: BCC.
Bits de Parada “Stop Bits”: 1.
Protocolo “Protocol”: Full Duplex.
Una vez hecho esto, presionar OK.
De esta manera queda configurada la aplicación RSLinx. El programa no debe cerrarse hasta
que se termine de utilizar la comunicación entre el PLC y el PC.
4.2.3 Programación del PLC mediante la aplicación RSLogix.
Una vez creada la aplicación RSLinx, se puede tener una comunicación entre el PLC y la com-
putadora. A continuación se presenta cómo programar el PLC mediante la aplicación
RSLogix. Primero se debe crear un proyecto; para ello abra el programa RSLogix y cree un
nuevo proyecto. En el cuadro de diálogo seleccione lo siguiente:
Manipulador “Driver”: AB_DF1-1.
Nodo del procesador “Processor Node”: 1.
Procesador “Processor”: 1747-L551.
En configuración IO seleccione lo siguiente:
Bastidor: 1746-A7.
Fuente de alimentación: 1746-P2.
Procesador: SLC 5/05 1747-L551 en la ranura 0.
Módulo de entradas/salidas analógicas: 1746-NIO4I en la ranura 2.
Módulo de entradas digitales: 1746-IA16 en la ranura 5.
Módulo de salidas digitales:1746-OW16 en la ranura6.
Configuración de comunicación:
Ruta “Route”: local.
Nodo del procesador: 1.
Ahora se puede escribir el programa del PLC mediante el editor de escalera. La figura 4.3
muestra el programa que debe escribirse para la implementación de este proyecto.
Figura 4.3 Programa del proyecto de control.
Una vez verificado el programa, el mismo se descarga al PLC.
4.2.4 Programación de la interface al usuario mediante RSView32.
Seguidamente se debe programar la interface al usuario. Con esta interface el usuario podrá
modificar algunos parámetros del bloque de función de PID y monitorear los cambios en la
variable controlada y la salida del controlador.
En el programa RSView, cree un nuevo proyecto:
1- En el menú principal, seleccionar la opción archivo “file” y crear un nuevo proyecto
presionando sobre nuevo “New”. Aparecerá un bloque de diálogo donde se debe escribir el
nombre del proyecto “project name” y el nombre del directorio “save in” donde se
almacenará en la memoria del PC. Precione abrir “open”, una vez que se han completado
los aspectos anteriores. Se presentará una ventana llamada de proyecto.
2- En esta ventana, abrir la carpeta sistema “system” y seleccionar canal “channel”. Aquí se
debe configurara el canal de comunicaciones que se utilizará. En esta ventana, configurar
Canal de comunicación “Channel”: 1-DH-485.
Tipo de red “Network Type”: DH-485.
Manipulador primario de comunicación “Primary Communication Driver”: AB_DF1-1.
Manipulador activo “Active Driver”: primario.
Una vez hecho esto, presione está bien “OK”.
3- En la misma carpeta sistema, seleccione la opción nodo “node” y configure:
Nombre del proyecto “Name”.
Canal “Channel”: 1-DH-485.
Estación “Station”: 01.
Tipo “Type”: SLC 5.
Ahora se deben crear las banderas que se utilizarán en el proyecto de RSView32. Cada
bandera está relacionada a un elemento en el programa del PLC presentado anteriormente. La
tabla 4.3 muestra las banderas que se deben crear.
Para crear estas banderas, seleccione la opción base de datos de banderas “tag database”, en la
carpeta sistema. Una vez que se han creado todas las banderas, se deben programar los
elementos gráficos que conformarán la interface
Nombre Tipo Descripción Dirección de memoria PLC ámbito
SETPOINT Entera Valor deseado N7:2 1-32767
VC Entera Variable controlada N7:30 1-32767
SC Entera Salida del controlador N7:31 1-32767
TI Entera Término de
N7:4 1-32767
TD Entera Término de taza de cambio N7:5 1-32767
KC Entera Ganancia del controlador N7:3 1-32767
START Digital Modo escalón B11:0/0 0-1
STEP Digital Escalón de 2.5Vdc B11:0/1 0-1
Tabla 4.3 Banderas utilizadas en la aplicación RSView32.
Elemento gráfico 1.
Para crear este elemento seleccione la opción deplegar ”display” en la carpeta gráficos
“grafics” en la parte izquierda de la ventana del proyecto. Se desplegará una ventana que
contiene el elemento gráfico. En la opción ventana de tendencia del menú de herramientas,
cree un gráfico y relacione a éste la bandera variable controlada. La tendencia es en el tiempo.
La Figura 4.4 muestra como se visualiza este elemento
Figura 4.4 Elemento gráfico 1.
Elemento gráfico 2.
Siga los pasos daods para crear el elemento 1 y relacione al gráfico de tendencia la bandera
salida del controlador. La tendencia es en el tiempo.
La Figura 4.5 muestra como se visualiza este elemento.
Elemento gráfico 3.
Siga los pasos para crear un elemento gráfico. Dentro de la ventana abierta configure el color
de la ventana como gris. Cree cuatro deslizadores. Cada uno con una propiedad de animación
por posición vertical. Asigne las banderas TI, TD, KC, y SP a cada deslizador. Asegúrese de
marcar el ámbito de la bandera según el ámbito del elemento relacionado en el programa del
Figura 4.5 Elemento gráfico 2.
Cree dos botones con propiedad de abrir una ventana relacionada a un gráfico tipo “display” y
relacione los elementos gráficos 1 y 2 a cada botón, de manera que al presionarlo se
despliegue el elemento específico.
Además, se deben crear tres botones. El primero llevará escrito: Comportamiento tipo escalón
en el valor deseado 0v-2.5v. Este botón se relacionará con la bandera START.. Para ello,
seleccione el botón y con “click” derecho, en la ventana que se presenta escoger la opción
tocar “Touch”. A continuación se debe relacionar la bandera, presionando banderas “Tags”, se
debe escoger START. Lo mismo debe realizarse para los otros dos botones. Uno de ellos se
identifica con el texto: 2.5v, el otro con: 0v. A ambos se les asignará la bandera STEP.
La interface al usuario es el elemento 3. La figura 4.6 muestra este elemento.
Figura 4.6 Elemento gráfico 3. Interface al usuario.
4.3 Especificaciones de diseño y modelado matemático.
A este punto toda la configuración y el montaje del equipo está concluido. A continuación se
realizarán cálculos realcionados al algoritmo PID y al análisis del sitema.
Existen dos aspectos que se quieren analizar en el proyecto. El primero es la capacidad del
método de sintonización para lograr una buena sintonización para el control sobre plantas con
diferentes tiempos muertos. El segundo aspecto es la relación que existe entre el periodo de
actualización del bloque de función PID y la estabilidad del sistema. Para poder analizar el
primer aspecto, se realizarán pruebas experimentales del sistema de control, para diferentes
tiempos muertos de la planta. Las pruebas se dividirán en tres casos:
Caso I: Se modificará la planta de tal forma que su función de transferencia sea de segundo
orden sin tiempo muerto.
Caso II: Se modificará la planta de tal forma que su función de transferencia sea de segundo
orden con un tiempo muerto de 10ms.
Caso III: Se modificará la planta de tal forma que su función de transferencia sea de segundo
orden con un tiempo muerto de 1 segundo.
Para analizar el segúndo aspecto se realizarán varios experimentos en cada caso, cada uno para
un diferente tiempo de actualización del bloque de función PID.
En el apartado 4.3.1 se sintonizan los parámetros del PID para cada caso. El método de
sintonización que se utilizará es el de síntesis de controladores.
En el apartado 4.3.2 se realiza el modelo matemático del sistema. La información más
importante que se obtendrá del modelo es su respuesta ante un cambio escalón unitario en el
4.3.1 Sintonización del algoritmo PID.
Para sintonizar el PID, se utilizará un modelo del sistema en tiempo continuo. Esto debido a
que el método síntesis de controladores es aplicable a sistemas continuos. Ya que el PLC es
un controlador discreto, la respuesta del sistema de control real puede diferir de la respuesta
que se obtendrá mediante este modelo continuo. Los parametros derivados de la respuesta al
escalón del modelo continuo se identificarán como parámetros continuos.
El diagrama en bloques del modelo en tiempo continuo del sistema de control se muestra en la
figura.4.7.
Y s ( )
Gp s ( ) ⋅ 1
s ⋅ +
Gp s ( )
− s ⋅
s ⋅ 1 + ( ) τ
s ⋅ 1 + ( ) ⋅
Figura 4.7 Diagrama en bloques del modelo en tiempo continuo del sistema de control.
Notese que el modo derivativo es aplicado a la variable realimentada, tal y como indica el
algoritmo del bloque de función PID del PLC.
el modelo de la planta.
Se escoge de tal forma que el polo de la planta sea doble. Los parámetros de la
planta serían entonces ‘t
’ y ‘τ’. Para todos los casos, ‘τ’ = 1 segundo.
:= τ :=
s ⋅ 1 +
4.3.1.1 Especificaciones de diseño del sistema de control.
El objetivo del método de síntesis de controladores es lograr que el sistema de lazo cerrado se
comporte como un modelo de primer orden más tiempo muerto. El tiempo muerto del modelo
de lazo cerrado es siempre igual al de la planta, y se denotará como ‘t
La tabla 4.4. muestra las especificaciones de diseño del sistema de control para cada caso de
planta proceso. La función de transferencia del sistema es:
= tiempo muerto τ
= constante de tiempo del modelo Mr(s).
Caso tiempo muerto
asentamiento al 5%
Caso I 0 1.5 0 0.5
Caso II 0.01 1.51 0 0.5
Caso III 1 5.05 0 0.94
Tabla 4.4 Especificaciones de diseño del sistema de control.
4.3.1.2 Caso I. Planta de segundo orden sin tiempo muerto.
En primer término se realiza la sintonización del controlador para una planta de segundo orden
sin tiempo muerto. La tabla 4.5 muestra el valor de los parámetros de tiempo integral, derivati-
vo y ganacia para un algoritmo PID ideal, y los respectivos valores de los parámetros del
bloque de función PID del PLC. Es importante recordar que el método de síntesis de
controladores es aplicable para controladores PID serie. Sin embargo, como se dijo, el
algoritmo implementado en el PLC es de tipo ideal, por lo que una conversión de parámetros
debe ser aplicada.
2 0.5 4 3 1 400
Tabla 4.5 Valor de los parámetros del algoritmo PID para el caso I.
La figura 4.8 muestra la respuesta del modelo continuo ante un cambio escalón unitario en el
valor deseado bajo las condiciones del caso I. La gráfica fue generada mediante el programa
MATLAB 6.5, licencia de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Costa Rica.
Según la figura 4.8, la respuesta del modelo presenta un sobre paso de 11%. Esto contradice
las especificaciones del método de sintonización, el cual asegura que la respuesta del sistema
será de primer orden. La razón de este sobre paso radica en que al usar este método se asume
que el modo derivativo del algoritmo PID es aplicado sobre el error. Sin embargo esto no se
cumple en el caso aquí estudiado, pues como se dijo, el algoritmo del bloque de función PID
aplica la acción derivativa sobre la señal realimentada, no sobre el error. El efecto de esta
diferencia se analizará en el capítulo 5.
Figura 4.8 Respuesta del modelo ante un cambio escalón unitario en el valor deseado bajo
las condiciones del caso I.
4.3.1.3 Caso II. Planta de segundo orden con tiempo muerto ‘t
= 10ms’.
Seguidamente se realiza la sintonización del controlador para una planta de segundo orden con
tiempo muerto ‘t
= 10ms’. La tabla 4.6 muestra el valor de los parámetros de tiempo integral,
derivativo y ganacia para el algoritmo PID y los respectivos valores de los parámetros del
bloque de función PID del PLC.
2 0.5 3.92 3 1 392
Tabla 4.6 Valor de los parámetros del algoritmo PID para el caso II.
La figura 4.9 muestra la respuesta del modelo ante un cambio escalón unitario en el valor
deseado en el caso II, obtenida con el programa MATLAB.
Figura 4.9 Respuesta del modelo ante un cambio escalón unitario en el valor deseado bajo
las condiciones del caso II.
4.3.1.4 Caso III. Planta de segundo orden con tiempo muerto ‘t
= 1s’.
En el último caso se realiza la sintonización del controlador para una planta de segundo orden
con tiempo muerto ‘t
= 1s’. La tabla 4.7 muestra el valor de los parámetros de tiempo
integral, derivativo y ganacia para un controlador PID ideal, y los respectivos valores de los
parámetros del bloque de función PID del PLC, KC, TI y TD.
2 0.5 1.33 3 1 133
Tabla 4.7 Valor de los parámetros del algoritmo PID para el caso III.
La figura 4.10 muestra la respuesta del modelo ante un cambio escalón unitario en el valor
deseado para el caso III. De nuevo la gráfica fue obtenida con el programa MATLAB.
Figura 4.10 Respuesta del modelo ante un cambio escalón unitario en el valor deseado bajo
las condiciones del caso III.
4.3.2 Modelado matemático del sistema de control.
El sistema implementado es un sistema de control en tiempo discreto, pues el PLC manipula
señales discretas. Para modelar correctamente el sistema, es necesario utilizar un modelo
A continuación se calculará la función de transferencia discreta del modelo para los casos I, II
y III. Además en cada caso se obtendrá esta función de transferencia para diferentes T. Una
vez calculada la función de transferencia, se graficará la respuesta del modelo ante un cambio
tipo escalón unitario en el valor deseado en cada caso. Estos gráficos se utilizarán para realizar
el análisis de los resultados obtenidos de las pruebas experimentales realizadas en el
laboratorio al sistema de control.
La figura 4.11 muestra el diagrama en bloques del modelo. La salida analógica del PLC es
modelada por un retenedor de orden cero (ZOH), mientras que la entrada analógica se modela
por un muestreador. El parámetro actualización del bloque PID “Loop update” será
modelado por el valor de periodo de este muestreador, que se denotará como T. La planta,
como siempre, es representada por el modelo Gp(s).
Figura 4.11 Diagrama en bloques del modelo discreto del sistema de control.
Las señales muestreadas se identifican con un asterisco. Es importante notar que tanto la señal
del valor deseado como los bloques integral y derivativo de la función PID del PLC son
modelados por sus transformadas z, debido a que son señales y algoritmos discretos.
τ s ⋅ 1 +
PI z ( ) K
PD z ( )
⋅ 1 z
Aquí G(z) es el equivalente retenedor planta. La función de transferencia de la planta es, como
se definió,
Debido a que el retardo de transporte de la planta ‘t
’ no necesariamente será multiplo del
periodo de muestreo se hace necesario utilizar la transformada z modificada para hallar la
función de transferencia del equivalente retenedor planta G(z).
Entonces G(z) es:
Con (4.6)
Aquí, N pertenece a los números enteros y ρ pertenece a los números reales positivos.
La función de transferencia discreta de los bloques PI(z) y PD(z) es:
G z ( ) 1 z
m − T ⋅
T − e
⋅ m 1 m − ( ) e
N T ⋅ ρ + :=
Mr z ( )
G z ( ) PI z ( ) ⋅
1 G z ( ) PI z ( ) PD z ( ) + ( ) ⋅ +
los parámetros del algoritmo PID ideal.
Finalmente, la función de transferencia discreta de lazo cerrado del modelo Mr(z) es:
4.3.2.1 Caso I. Planta de segundo orden sin tiempo muerto.
Para este primer caso la función de transferencia de la planta es:
Donde ‘tm’ = 0s. Para este caso ‘N’ = 0 y ‘ρ’ = 0.
Como se dijo, para cada caso se analizará el modelo de control en tiempo discreto para
diferentes valores del periodo de muestreo T.
4.3.2.1.1 Periodo de muestreo T = 0.01segundos.
Con los valores de los parámetros del algoritmo PID ideal de la tabla 4.5, el periodo de
muestreo T = 0.01 segundos y el retardo de la planta ‘t
’ = 0 segundos, se obtiene la función
de transferencia Mr(z).
Mr(z) = (4.11)
1.968610
⋅ z ⋅ 1.99210
⋅ 1.965310
⋅ − 1.99510
⋅ − z
3.9699z
⋅ − + 5.920z
⋅ + 1.00006z ⋅ 3.94050z
La respuesta del modelo a un cambio escalón unitario en el valor consigna se muestra en la
figura 4.12. El gráfico fue generado con MATLAB.
Figura 4.12 Respuesta al escalón unitario del modelo matemático. Planta de segundo orden
sin tiempo muerto. Periodo de muestreo T = 0.01 segundos.
4.3.2.1.2 Periodo de muestreo T = 0.1segundos.
muestreo T = 0.1 segundos y el retardo de la planta ‘t
Mr(z) = (4.12)
1.70710
⋅ z ⋅ 1.918310
⋅ 1.67710
⋅ − 1.948510
3.6969z
⋅ − + 5.225z
⋅ + 1.0048z ⋅ 3.4458z
figura 4.13. El gráfico fue generado con MATLAB.
Figura 4.13 Respuesta al escalón unitario del modelo. Planta de segundo orden sin tiempo
muerto. Periodo de muestreo T = 0.1 segundos.
4.3.2.1.3 Periodo de muestreo T = 0.5 segundos.
muestreo T = 0.5 segundos y el retardo de la planta ‘t
Mr(z) = (4.13)
.226149z ⋅ .40592z
⋅ .201199z
⋅ − .43087z
.258456 − 2.44633z
⋅ − 2.5391z
⋅ + z
+ 1.0086z ⋅ 1.8429z
La respuesta a un cambio escalón unitario en el valor consigna se muestra en la figura 4.14. El
gráfico fue generado con MATLAB.
Figura 4.14 Respuesta del modelo al escalón unitario. Planta de segundo orden sin tiempo
muerto. Periodo de muestreo T = 0.5 segundos.
4.3.2.1.4 Periodo de muestreo T = 0.75 segundos.
Con los valores de los parámetros para el algoritmo PID ideal dados en la tabla 4.5, el periodo
de muestreo T = 0.75 segundos y el retardo de la planta ‘t
’ = 0 segundos, se obtiene la
función de transferencia Mr(z).
Mr(z) = (4.14)
.341375z ⋅ .8235z
⋅ .2769z
⋅ − .8879z
⋅ − + 2.0 10
.280103 − z
1.65899z
⋅ − + 1.1179z
⋅ + .9425z ⋅ 1.12133z
Figura 4.15 Respuesta al escalón unitario del modelo. Planta de segundo orden sin tiempo
muerto. Periodo de muestreo T = 0.75 segundos.
4.3.2.1.5 Periodo de muestreo T = 1 segundo.
La ecuación 4.15 es la función de trasnferencia de lazo cerrado Mr(z) del sistema para un T =
1 segundo y un retardo de la planta ‘t
’ = 0 segundos. Los parámetros del algoritmo PID ideal
se presentan en la tabla 4.5.
Mr(z) =
La respuesta del sistema a un cambio escalón unitario en el valor consigna se muestra en la
.35 z ⋅ 377 10
⋅ z ⋅ 19 10
5. z ⋅ 3. − ( )
⋅ 570 10
⋅ + 156 10
⋅ − 277 10
⋅ z ⋅ − 135 10
0.01 − s ⋅
Figura 4.16 Respuesta al escalón unitario del modelo. Planta de segundo orden sin tiempo
muerto. Periodo de muestreo T = 1 segundo.
4.3.2.2 Caso II. Planta de segundo orden con tiempo muerto ‘t
’ = 10ms.
Para este caso la función de transferencia de la planta es:
Donde ‘t
’ = 0.01 segundos.
Ahora se realizará el estudio para diferentes periodos de muestreo T.
4.3.2.2.1 Periodo de muestreo T = 0.01segundos.
Para este caso ‘N’ = 1 y ‘ρ’ = 0. La tabla 4.6 muestra los valores de K
sintonización del algoritmo PID en el caso II. Entonces con T = 0.01 segundos; Mr(z) es:
Mr(z) = (4.17)
Figura 4.17 Respuesta al escalón unitario del modelo. Planta de segundo orden con tiempo
muerto ‘t
’ = 0.01 segundos . Periodo de muestreo T = 0.01 segundos.
4.3.2.2.2 Periodo de muestreo T = 0.1segundos.
Para este caso ‘N’ = 0 y ‘ρ’ = 0.01. Con los valores de K
dados en la tabla 4.6 y T =
0.01 segundos se calcula Mr(z):
Mr(z) = (4.18)
⋅ 1.95 10
⋅ 1.93 10
⋅ − 1.95610
⋅ − z ⋅ 5.95 z
⋅ 3.96 z
⋅ − + 1.94810
⋅ + .98 z
⋅ − 1.0 10
⋅ 1.53 10
⋅ 2.60 10
⋅ − 9.02110
⋅ − + 1.57610
⋅ z ⋅ +
9.93710
⋅ − z ⋅ 3.7195z
⋅ − 5.307z
⋅ + 1.067z
⋅ 3.554z
⋅ − + z
La respuesta del modelo a un cambio escalón unitario en el valor se muestra en la figura 4.18.
Figura 4.18 Respuesta al escalón unitario del modelo. Planta de segundo orden con tiempo
muerto ‘tm’ = 0.01 segundos . Periodo de muestreo T = 0.1 segundos.
4.3.2.2.3 Periodo de muestreo T = 0.5 segundos.
Aquí ‘N’ = 0 y ‘ρ’ = 0.01 tal que ‘t
’ = 0.01 segundos. Dados K
como en la tabla 4.6
y T = 0.5 segundos se calcula Mr(z):
Mr(z) = (4.19)
.232 z
⋅ .385 z
⋅ .231 z
⋅ − .386 z
⋅ − + 6.35 10
.265 − z ⋅ 2.49 z
⋅ − 2.65 z
⋅ + 1.05 z
⋅ 1.955z
7.26210
Figura 4.19 Respuesta del modelo al escalón unitario. Planta de segundo orden con tiempo
’ = 0.01 segundos. Periodo de muestreo T = 0.5 segundos.
4.3.2.2.4 Periodo de muestreo T = 0.75 segundos.
Finalmente se realiza el estudio para un periodo de muestreo de 750 ms. Reemplazando los
= 0.5, K
= 3.9216, N = 0, ρ = 0.01 y T = 0.75, se calculó la siguiente
función de transferencia Mr(z):
Mr(z) = (4.20)
.3458z
⋅ .7908z
⋅ .3103z
⋅ − .8264z
⋅ − + 3.57910
.2837 − z ⋅ 1.71 z
⋅ − 1.238z
⋅ + .9764z
⋅ 1.2208z
2.93610
Figura 4.20 Respuesta al escalón unitario del modelo. Planta de segundo orden con tiempo
’ = 0.01 segundos . Periodo de muestreo T = 0.75 segundos.
4.3.2.3 Caso III. Planta de segundo orden con tiempo muerto ‘t
’ = 1s.
Ahora se realizará el estudio de esta planta para diferentes periodos de muestreo T.
4.3.2.3.1 Periodo de muestreo T = 0.1 segundos.
La sintonización del controlador PID ideal para el caso de ‘t
’ = 1 segundo se muestra en la
tabla 4.7. Según la tabla, Kc = 1.33, Ti = 2 y Td = 0.5. Como se definió, t
= N*T+ρ.
Entonces para este caso N = 10, ρ = 0. La función de transferencia Mr(z) es:
Utilizando el programa MATLAB, se obtuvo la respuesta del sistema modelado por Mr(z)
ante una entrada escalón unitario en R(z). La respuesta se muestra en la figura 4.21.
Figura 4.21 Respuesta al escalón unitario del modelo. Planta de segundo orden con tiempo
’ = 1 segundo . Periodo de muestreo T = 0.1 segundos.
5.67610
⋅ z ⋅ 6.37810
⋅ 5.57610
⋅ − 6.478710
⋅ − 3.75 10
⋅ 7.1 10
⋅ − + 6.2 10
⋅ z ⋅ + 4.4 10
⋅ − + 5.44 z
⋅ 3.45 z
⋅ − + .82 z
4.3.2.3.2 Periodo de muestreo T = 0.5 segundos.
Para este caso N = 2 y ρ = 0, tal que t
= 1 segundos y T = 0.5 segundos. Entonces, para
calcular Mr(z) se reemplazan estos valores y los parámetros del PID ideal mostrados en la
La función de transferencia Mr(z) es:
La respuesta de este modelo ante un cambio escalón unitario en la entrada R(z) del valor
deseado se muestra en la figura 4.22.
Figura 4.22 Respuesta al escalón unitario del modelo. Planta de segundo orden con tiempo
’ = 1 segundo . Periodo de muestreo T = 0.5 segundos.
⋅ .135 z
⋅ 6.69 10
⋅ − .143 z
⋅ − z ⋅ 1.69 z
⋅ − 4.94 10
⋅ − .213 z
⋅ + 3.52 10
+ 1.0 10
⋅ 3.21 z
⋅ − + 3.79 z
4.3.2.3.3 Periodo de muestreo T = 1.2 segundos.
Para este caso N = 0 y ρ = 1, tal que t
= 1s y T = 1.2 s. Mr(z) se obtiene al reemplazar estos
valores y los parámetros del PID ideal mostrados en la tabla 4.7 en la ecuación (4.9) de Mr(z).
deseado se muestra en la figura 4.23.
Figura 4.23 Respuesta al escalón unitario del modelo. Planta de segundo orden con tiempo
’ = 1 segundos. Periodo de muestreo T = 1.2 segundos.
.113 z
⋅ 3.03 10
⋅ .838 z
⋅ − + .6106z
⋅ + 8.44610
⋅ z ⋅ 2.56 z
⋅ − 3.088z
⋅ + .675 z
⋅ 2.17 z
Capítulo 5: Análisis de resultados
Una vez realizado el modelado matemático del sistema de control, se procedió a realizar la
configuración del bloque de función PID del PLC. La tabla 5.1 muestra la configuración de los
parámetros. Los parámetros no especificados tienen un valor por defecto.
Ganancia del controlador Según el caso
Término de reestablecimiento Según el caso
Término de taza de cambio Según el caso
Actualización del bloque PID Según el caso
Modo de control E = SP-PV
Control PID AUTO
Modo de Tiempo TM
Límite de salida CV NO
Banda Muerta 0
Valor consigna 0 - 8192
Bandera RG 1
Tabla 5.1 Configuración del bloque de función PID del PLC.
Como se muestra en la tabla, los valores Ganancia del controlador, Término de
reestablecimiento, Término de taza de cambio y actualización del Bloque PID dependen del
caso específico que se estudie. Es importante anotar que el parámetro del controlador que fue
modelado en el análisis discreto como el periodo de muestreo T es el de actualización del
Bloque PID.
Las pruebas experimentales consistirán en obtener el comportamiento de la variable
controlada ante un cambio tipo escalón unitario en la señal consigna, configurando la planta
para cambiar su retardo según cada uno de los casos descritos en el capítulo anterior.
Complementariamente, para cada caso, se obtendrán diferentes curvas, cada una para un valor
actualización del Bloque PID “loop update” diferente. Los parámetros de la respuesta del
sistema experimentalmente se identificarán como parámetros experimentales.
Los resultados consisten en una gráfica del valor en decimal de la variable controlada contra el
tiempo. El gráfico fue obtenido mediante información del elemento de archivo de entrada
I:2.0, correspondiente al módulo de entradas analógicas del PLC. Esa información fue
enviada al computador por medio de la interface al ususario y por ello se trata de una medición
del valor de la salida de la planta. A continuación se presentan los resultados para cada caso
5.1 Resultados.
5.1.1 Caso I. Control de planta de segundo orden sin tiempo muerto.
En este caso se ajustó la planta para que ‘t
’ = 0. Las figuras de la 5.1 a la 5.5 muestran el
comportamiento de la variable controlada en el tiempo, ante un cambio tipo escalón en el
valor consigna. Cada gráfica se obtuvo para diferentes valores del parámetro Actualización del
bloque PID. Para lograr este tipo de control se debe presionar el botón comportamiento tipo
escalón en el valor deseado 0v-2.5v en el panel de control de usuario en la interface. Esto
deshabilita el valor de consigna dado por el botón deslizable del mismo panel. Una vez hecho
esto, se presiona el botón 2.5v para dar un cambio del valor consigna de 0 a 8192 en valor
decimal, o de 0 V a 2.5 V, según la conversión vista.
Figura 5.1 Variable Controlada contra el tiempo. Resultado del sistema ante un cambio de 0
V a 2.5 V en el valor consigna. Actualización del bloque PID = 10ms.
Figura 5.2 Variable Controlada contra el tiempo. Resultado del sistema ante un cambio de 0
V a 2.5 V en el valor consigna. Actualización del bloque PID = 100ms.
Figura 5.3 Variable Controlada contra el tiempo. Resultado del sistema ante un cambio de 0
V a 2.5 V en el valor consigna. Actualización del bloque PID = 500ms.
Figura 5.4 Variable Controlada contra el tiempo. Resultado del sistema ante un cambio de 0
V a 2.5 V en el valor consigna. Actualización del bloque PID = 750ms.
Figura 5.5 Variable Controlada contra el tiempo. Resultado del sistema ante un cambio de 0
V a 2.5 V en el valor consigna. Actualización del bloque PID = 1 segundo.
5.1.2 Caso II. Control de planta de segundo orden con tiempo muerto ‘t
Ahora se ajusta la planta para incorporar un retardo de transporte o tiempo muerto de 10 ms.
Los resultados de la respuesta del sistema ante un cambio escalón se obtuvieron, de nuevo,
para diferentes valores del parámetro Actualización del bloque PID. Las gráficas de las figuras
5.6 a 5.9 muestran estos resultados.
Figura 5.6 Gráfica de la Variable Controlada contra el tiempo. Comportamiento del sistema
ante un cambio de 0 V a 2.5 V en el valor consigna. Actualización del bloque PID=10ms.
Figura 5.7 Gráfica de la Variable Controlada contra el tiempo. Comportamiento del sistema
ante un cambio de 0 V a 2.5 V en el valor consigna. Actualización del bloque PID=100ms.
Figura 5.8 Gráfica de la Variable Controlada contra el tiempo. Comportamiento del sistema
ante un cambio de 0 V a 2.5 V en el valor consigna. Actualización del bloque PID=500ms.
Figura 5.9 Gráfica de la Variable Controlada contra el tiempo. Comportamiento del sistema
ante un cambio de 0 V a 2.5 V en el valor consigna. Actualización del bloque PID=750ms.
5.1.3 Caso III. Control de planta de segundo orden con tiempo muerto ‘t
’ = 1 segundo.
Finalmente se ajusta la planta para tener un tiempo muerto de 1 segundo.. Las figuras de la
5.10. a 5.12. muestran los resultados obtenidos mediante la interface RSView32 para valores
del parámetro Actualización del bloque PID de 100 ms, 500 ms y 1.2 segundos.
Figura 5.10 Gráfica de la Variable controlada contra el tiempo. Comportamiento del sistema
ante un cambio de 0 V a 2.5 V en el valor consigna. Actualización del bloque PID = 100ms.
Figura 5.11 Gráfica de la Variable controlada contra el tiempo. Comportamiento del sistema
ante un cambio de 0 V a 2.5 V en el valor consigna. Actualización del bloque PID = 500ms.
Figura 5.12 Gráfica de la Variable controlada contra el tiempo. Comportamiento del sistema
ante un cambio de 0 V a 2.5 V en el valor consigna. Actualización del bloque PID = 1.2 s.
5.2 Análisis de resultados.
En la sección anterior se presentaron los resultados de las pruebas experimentales realizadas
en el laboratorio para cada un de los casos de interés. Seguidamente se compararán los
resultados experimentales con los resultados del modelo en tiempo discreto y con las
especificaciones de diseño. El análisis se presentará primero por separado en los casos I, II y
III según el tiempo muerto de la planta. Posteriormente se analarizarán los resultados
5.2.1 Caso I. Planta sin tiempo muerto ‘t
’ = 0s.
La tabla 5.2 muestra los parámetros de la respuesta; constante de tiempo del sistema, tiempo
muerto, sobrepaso y tiempo de asentamiento al 5%, según las especificaciones de diseño
y el modelo continuo.
Especificaciones de diseño 0.5 0 0 1.5
Modelo continuo 0.94 0 11 4.53
Tabla 5.2 Especificaciones de diseño y resultados de los parámetros continuos para el caso I.
Como se aprecia, existe una diferencia entre los parámetors continuos y las especificaciones
de diseño. Específicamente el parámetro continuo constante de tiempo del sistema es casi el
doble del valor meta de diseño. Además se presenta un sobrepaso en el modelo continuo del
11% del valor final. Es, entonces, evidente que las especificaciones de diseño no serán
cumplidas por el sistema de control. Como se había apuntado anteriormente, esto se debe a
que el algoritmo PID que implementa el PLC; aplica el modo derivativo a la variable
realimentada. Por otra parte, el método de sintonización está diseñado tal que el modo
derivativo sea aplicado a la señal de error.
Debido a esta diferencia, no se podrán alcanzar las especificaciones de diseño que fueron
calculadas mediante el método de síntesis de controladores. Con el fin de poder continuar con
el análisis, se asumirá que las nuevas especificaciones de diseño para el caso I son las dadas
por el modelo continuo según la tabla 5.2.
La tablas 5.3 muestran los parámetros obtenidos de las respuestas del modelo discreto y de las
respuestas experimentales según el periodo de muestreo. Los datos se muestran de la siguiente
forma: ( parámetro discreto ; parámetro experimental ).
Sobre paso (%) Tiempo de
asentamiento al
5% (segundos)
0.01 ( 0.917 ; 1.45 ) ( 0 ; 0 ) ( 11 ; 9.57 ) ( 4.63 ; 5.36 )
0.1 ( 0.83 ; 1.45 ) ( 0 ; 0 ) ( 10.5 ; 8.7 ) ( 4.83 ; 6 )
0.5 ( 0.67 ; 2.1 ) ( 0 ; 0 ) ( 10.53 ; 6.1 ) ( 5 ; 5.64 )
0.75 ( 0.7 ; 1.36 ) ( 0 ; 0 ) ( 31.6 ; 11.3 ) ( 9.2 ; indet )
1 ( 0.6 ; 2.1 ) ( 0 ; 0 ) ( 47.4 ; 17.4 ) ( 32.4 ; indet )
Tabla 5.3 Parámetros discretos y parámetros experimentales para el caso I.
Cuando T = 10ms, los parámetros discretos constante de tiempo del sistema, sobre paso y
tiempo de asentamiento al 5% son de 0.917 segundos, 11% y 4.63 segundos respectivamente.
Si se comparan con los parámetros continuos de la tabla 5.2, se puede notar que concuerdan.
Es decir, el modelo en tiempo discreto es equivalente al modelo en tiempo continuo para este
valor de T.
Para este mismo periodo de muestreo, los resultados experimentales describen un sistema en
lazo cerrado con una constante de tiempo del sistema, un sobre paso y un tiempo de
asentamiento al 5% de 1.45 segundos, 9.57 % y 5.36 segundos respectivamente. De estos
datos se puede concluir que el sistema de control se comporta un 15% más lento que el
modelo y con un sobrepaso de 0.87 veces el sobrepaso del modelo. Estas diferencias se deben
a incertidumbres en la medición, así como limitaciones del la interface.
La figura 4.8 muestra la respuesta del modelo continuo ante un cambio escalón en el valor
deseado para el caso I. Esta figura puede ser comparada con la figura 4.12 que muestra la
misma infomación pero para el modelo discreto cuando T=10ms. Se nota que son muy
similares. Finalmente en la figura 5.1, se muestra el trazo de la variable controlada del sistema
ante un cambio tipo escalón de 2.5 voltios de amplitud. La forma es la misma que la de los
En la tabla 5.3 se presentan los mismos parámetros para periodos de muestreo desde 10ms
hasta 1 segundo. Las figuras 5.1 a 5.5 muestran como varía el trazo de la variable controlada
del sistema al cambiar T, experimentalmente. La idea es comparar los datos experimentales
con los parámetros discretos obtenidos de las figuras 4.12 a 4.16. Estos parámetros se
presentan el la tabla 5.3. Por ejemplo, cuando T = 750ms, los parámetros discretos de
constante de tiempo del sistema, sobre paso y tiempo de asentamiento al 5% son de 0.7
segundos, 31.6 % y 9.2 segundos respectivamente. Recordando las especificaciones de diseño,
se nota que el sobrepaso esperado es 2.9 veces menor que el parámetro discreto. Además,
tiempo de asentamiento al 5% de diseño es la mitad del parámetro discreto en la tabla 5.3. Se
observa que conforme aumenta el periodo de muestreo, el modelo discreto describe un sistema
más oscilatorio, que a la vez tarda más en entrar en la franja del 5% de error.
La tabla 5.3 muestra que la constante de tiempo del sistema experimental, el sobrepaso
experimental y el tiempo de asentamiento al 5% experimental son de 1.36 segundos, 11.3%
e indeterminado, respectivamente cuando T = 750 ms. La figura 5.4 muestra la gráfica de la
variable controlada obtenida experimentalmente en este caso. Según se puede notar, la
variable controlada no tiende a ningún valor, y más bien es llevada de un valor a otro en el
vecindario del valor final deseado. Es por ello que el tiempo de asentamiento del sistema es
Esto indica que para T = 750ms, el sistema está en el límite de estabilidad y se ha vuelto
oscilatorio. Las figura 4.15 muestra la respuesta del modelo discreto ante un escalón unitario
para el caso I, cuando se está en periodo de muestreo de 750ms. Como se nota según el
modelo; el sistema debe volverse inestable con forme T aumenta. Esta misma conclusión se
puede extraer de los datos experimentales. Recuerdese que la referencia del caso I es la figura
4.8, que es el gráfico de la respuesta del modelo continuo..
5.2.2 Caso II. Planta de segundo orden con tiempo muerto ‘t
Ahora se estudiará una planta con un retardo de transporte de 10ms. La tabla 5.4 muestra los
parámetros de la respuesta; constante de tiempo del sistema, tiempo muerto, sobrepaso y
tiempo de asentamiento al 5%, según las especificaciones de diseño y los parámetros
Especificaciones de diseño 0.5 0.01 0 1.51
Modelo continuo 0.95 0.01 11 4.57
Tabla 5.4 Especificaciones de diseño y parámetros continuos de la respuesta del modelo
ante un escalón unitario para las condiciones del caso II.
Al igual que el caso I, los parámetros continuos no cumplen con las especificaciones de
diseño. De nuevo la variación en la aplicación del algoritmo de control PID en el bloque de
función del PLC es la causa de esta diferencia. Entonces, para el caso II, los parámetros
continuos serán las nuevas especificaciones de diseño.
En la tabla 5.5 se muestran los parámetros discretos del sistema y los resultados
experimentales para varios periodos de muestreo T, cuando la planta tiene un retardo de
transporte de 10ms. Según el modelo discreto, el sistema se hace más oscilatorio a medida que
aumenta T. El mismo comportamiento presentan los datos experimentales. Por ejemplo para
T = 10ms, el tiempo de asentamiento al 5% es, experimentalmente, de 6.2 segundos, mientras
que para T = 750ms, la variable controlada ya no converge a ningún valor y el sistema está en
el límite de estabilidad. La figura 5.9 muestra este resultado gráficamente.
La figura 4.20 muestra la misma información que la figura 5.9, para el modelo discreto del
sistema. Se nota que aunque la variable converge al valor deseado, ésta lo hace mucho más
lento en comparación con el comportamiento de la figura 4.17.
0.01 ( 0.95 ; 1.67 ) ( 0.01 ; 0.01 ) ( 10 ; 7.8 ) ( 4.47 ; 6.2 )
0.1 ( 0.95 ; 1.95 ) ( 0.01 ; 0.01 ) ( 11 ; 6.4 ) ( 4.65 ; 5.5 )
0.5 ( 1.3 ; 1.3 ) ( 0.01 ; 0.01 ) ( 13 ; 4.7 ) ( 10 ; 4 )
0.75 ( 0.95 ; 1.78 ) ( 0.01 ; 0.01 ) ( 31 ; 12.7 ) ( 12.3 ; indet )
Tabla 5.5 Parámetros discretos y resultados experimentales para el caso II. Los datos son
dados de la siguiente forma: ( parámetro discreto ; resultado experimental ).
Si comparamos los resultados experimentales con los parámetros discretos podemos ver que el
modelo discreto describe el sistema real hasta que T = 100ms. Después de ese valor el sistema
ya no es descrito de forma correcta por el modelo.
5.2.3 Caso III. Planta de segundo orden con tiempo muerto ‘tm’ = 1s.
Finalmente, se tiene el caso de una planta con un retardo de transporte de 1s. La tabla 5.6
muestra los parámetros de la respuesta; constante de tiempo del sistema, tiempo muerto, sobre
paso y tiempo de asentamiento al 5%, según las especificaciones de diseño y los parámetros
Las especificaciones de diseño que se tienen son: una constante de tiempo del sistema de 0.5
segundos y un sobre paso nulo. Sin embargo, en la tabla se puede notar que no es posible
sintonizar; mediante el método de sítesis de controadores; el algoritmo PID ideal tal que se
cumpla con esas especificaciones. En lugar de ello se obtendrá una respuesta del sistema, ante
un cambio escalón unitario en el valor consigna, que presentará un sobre paso del 18% y una
constante de tiempo de 0.94 segundos.
Especificaciones de diseño 0.94 1 18 5
Modelo continuo 1.31 1 30 6
Tabla 5.6 Especificaciones de diseño y parámetros continuos para el caso III.
Esto quiere decir que el sistema se vuelve más osciliatorio y lento conforme el tiempo muerto
de la planta aumenta. La explicación de esta limitación del método de sintonización es que el
algoritmo que fue utilizado para encontar las ecuaciones que dan los valores de los parámetros
no es exacto. El factor exponencial en las funciones de transferencia de los
procesos con retardo de transporte es aproximado, en el algoritmo, por medio de un polinomio
de Taylor de orden uno. Dicha aproximación es mala para valores del retardo de transporte
comparables a la constante de tiempo del proceso. Entonces, en estos casos, el método de
síntesis de controladores fallará, y el controlador no será debidamente sintonizado para logar
que el sistema cumpla con las especificaciones de diseño.
Los parámetros continuos describen una respuesta de un sistema aun más oscilatorio y lento.
Por ejemplo, el sobre paso del modelo continuo del sistema es del 30%. Como siempre, los
parámetros continuos serán las nuevas espacificaciones de diseño, y contra éstos será
comparada la respuesta experimental. La figura 4.10 presenta la respuesta del modelo
continuo ante un cambio escalón unitario en el valor deseado bajo las condiciones del caso III.
La tabla 5.7 muestra los parámetros discretos y los resultados experimentales para el caso III,
cuando el periodo de muestreo varía de 100ms a 1.2 segundos.
0.1 ( 1.45 ; 1.77 ) ( 1 ; 0.77 ) ( 32.5 ; 39.5 ) ( 6.2 ; 10.6 )
0.5 ( 1.3 ; 1.66 ) ( 1 ; 0.89 ) ( 47 ; 35.79 ) ( 20.9 ; 37.3 )
1.2 ( 1.7 ; 1.89 ) ( 1.2 ; 1.67 ) ( 74 ; 42.2 ) ( 35.4 ; indet )
Tabla 5.7 Parámetros discretos y resultados experimentales para el caso III. Los datos son
En la tabla se nota que el sistema es mucho más sensible al aumento del tiempo de muestreo
en el caso III que en los casos anteriores. Por ejemplo, el tiempo de asentamiento al 5% de la
varibale controlada cuando el periodo de muestreo es igual a 100ms es de 10.6 segundos en el
caso III, mientras que para el caso I, bajo las mismas condiciones, el tiempo de asentamiento
al 5% era de 6 segundos. Es decir, si el controlador está mal sintonizado; entonces el sistema
será más sensible a aumentos en el periodo de muestreo, y por ello más propenso a la
Las figuras 5.10, 5.11, 5.12 muestran los resultados experimentales para el caso III
1- Los algoritmos PID fueron aplicados, de manera satisfactoria, en el controlador lógico
programable Allen Bradley SLC 500, en el sistema de control realimentado. Utilizando los
módulos de entradas/salidas analógicas, fue posible que el PLC obtuviera información del
proceso (monitorear la variable controlada) y enviara la señal de control al actuador (salida del
controlador). Se presentó la necesidad de realizar una conversión de la señal de corriente, del
módulo de salidas analógicas, a una señal de voltaje para que alimentara la planta. Un PLC
puede ser utilizado en un sistema de control de lazo cerrado siempre que cuente con módulos
analógicos de entradas y salidas. Un aspecto interesante es, que es posible utilizar varios
bloques de función PID en un mismo programa, por lo que un PLC es capaz de controlar
tantas variables como canales entrada/salida posean sus módulos.
2- Se comprobó que el método de sintonización por síntesis de controladores funciona
satisfactoriamente para sintonizar los parámetros del bloque de función PID del PLC. Además,
se encontró que el método falla al sintonizar el algoritmo PID, cuando el proceso presenta un
retardo de transporte de una magnitud comparable a su constante de tiempo. Se recomienda,
para estos casos, recalcular las expresiones de los parámetros T
dadas en el apéndice
A.2.1.2.1; utilizando un polinomio de Padé de orden entre 7 y 15 para la aproximación del
retardo de transporte.
3- Se realizó la conexión entre el PLC y la computadora mediante la aplicación RSLinx, de
tal forma que los datos de los archivos de salida y entrada pudieron ser monitoreados desde el
PC. Esto facilitó la resolución de los problemas propios de la programación del PLC. Además,
permite llevar registros del estado del proceso desde cualquier computador conectado a
Internet. En las nuevas tendencias de las organizaciones, donde las altas gerencias impulsan el
concepto de fábricas transparentes, los PLC se convierten en una gran opción, pues conforman
una fuente de datos sobre los procesos, en tiempo real.
4- Se completó con éxito una interface al usuario utilizando un PC y la aplicación RSView32.
Esta interface da acceso absoluto al usuario sobre los parámetros del controlador y se
convierte en un ambiente de trabajo interactivo que incluso permite desplegar los valores de la
variable controlada y la salida del controlador en gráficas en función del tiempo. Esta interface
es sólo un ejemplo de la gran cantidad de opciones de despliegue de procesos que esta
aplicación brinda, convirtiendo el PLC en un máquina muy versátil. El usuario puede realizar
una aplicación RSView32 adecuada a su necesidad, facilitando a los operarios la comprensión
de su proceso. Un aspecto muy importante es que la interface da acceso a la configuración del
PLC desde puntos remotos, lo que evita la innecesaria movilización de personal por las
5- Experimentalmente se encontró que, para obtener un buen control, es necesario que la
constante de tiempo del proceso sea entre de entre 15 y 20 veces más lenta que el tiempo entre
evaluaciones sucesivas del bloque de función PID. Sin embargo, el tiempo de actualización
del bloque PID no puede ser menor al tiempo de ciclo de programa, por lo que existen
limitaciones al uso de un PLC en procesos muy rápidos. El usuario debe tomar en cuenta este
aspecto a la hora de decidir entre utilizar un controlador PID electrónico ó un PLC.
6- Tanto el programa de aplicación RSLogix como el programa de aplicación RSView32,
realizados para el proyecto, permitirán a cualquier estudiante implementar rápidamente un
sistema de control de lazo cerrado con un algoritmo PID utilizando este PLC. Además, la
información suministrada en el capítulo 3 le permitirá adquirir conocimientos sobre los
componentes de la familia SLC 500, sus conexiones y la lógica del lenguaje en escalera.
Gracias a que el uso de las aplicaciones RSLogix y RSView32 se detallan paso a paso en el
capítulo 4, el interesado podrá familiarizarse con la programación del PLC y la elaboración de
7- El modelo en tiempo discreto del sistema, aproximó bien el comportamiento real del
equipo, ante los cambios en el periodo de muestreo. Esto comprueba que los modelos
matemáticos utilizados; como el muestreador ideal y el retenedor de orden cero; son
aproximaciones aceptables de los componentes electrónicos reales que se encuentran en los
módulos de entradas y salidas analógicas del PLC SLC 500. Además, se comprobaron los
conceptos teóricos sobre estabilidad y modelado de procesos que se imparten en el curso de
sistemas en tiempo discreto, en la Escuela.
8- Los resultados del proyecto son muy importantes, pues extienden la amplia gama de
aplicaciones de los PLC. Tradicionalmente utilizados en el control secuencial, se concluye que
son igualmente efectivos en el control realimentado, extendiendo todas sus capacidades y
ventajas a esta rama del control automático.
Se debe tener suficiente información de la aplicación que se implementará antes de decidir
cual es el PLC apropiado para ser utilizado como un controlador en un lazo cerrado. Entre los
aspectos que se deben conocer está la constante de tiempo del proceso. El periodo entre
actualizaciones de las imagenes de entrada y salida de la instrucción PID del PLC debe ser
entre 15 y 20 veces más rápido que la constante de la planta. Esto con el fin de que el
controlador digital no afecte la estabilidad del lazo de control.
Otro aspecto al que se le debe poner atención, cuando se escoje el PLC a utilizar, es el nivel de
voltaje de las señales analógicas que provienen de los transductores. Dichos niveles debe ser
adecuados a las especificaciones de los módulos de entradas y salidas analógicas del PLC.
También es importante realizar las conversiones entre tipos de señales. Por ejemplo, en el
sistema que se implementó aquí, la señal de salida analógica del controlador es una señal de
corriente. Si el actuador que se utilizará recibe una entrada de voltaje, un circuito como el que
se muestra en la figura 4.2, debe ser utilizado.
Antes de escoger un método de sintonización, se debe tener claro la ecuación del bloque de
función PID. En caso necesario, se deben realizar las transformaciones de parámetros
Con el fin de prevenir daños al equipo y accidentes, el parámetro que varía el periodo de
actualización del bloque PID, en el programa de aplicación del PLC, debe estar protegido de
tal manera que no pueda ser modificado por personal no calificado. Como se concluyó, la
estabilidad del sistema se ve afectada por este parámetro.
Cuando se le suspende la alimentación al PLC, su salida de control hacia el actuador de la
planta cae a cero. Para procesos delicados donde equipo o personal estén en riesgo, es
importante suplir al PLC de energía suplementaria durante una suspensión de energía no
programada. Esto con el fin de que el PLC sea capaz de llevar el sistema de manera controlada
a un estado seguro.
1. Allen Bradley. – “SLC 500: 4-Channel Analog I/O Modules”, Publicación 1746-UM0058-
EN-P, Estados Unidos, 2004.
2. Allen Bradley. – “SLC 500: 4-Channel Analog I/O Modules”, Publicación 1747-IN008C-
3. Allen Bradley. – “SLC 500: Instruction Set Reference Manual”, Publicación 1747-
RM001D-EN-P, Estados Unidos, 2003.
4. Allen Bradley. – “SLC 500: Modular Chassis and Power Supplies”, Publicación 1746-
TD003A-EN-P, Estados Unidos, 2000.
5. Allen Bradley. – “Digital I/O Modules”, Publicación 1746-IN005B-EN-P, Estados Unidos,
6. Allen Bradley. – “SLC 500: Power Supplies”, Publicación 1746-IN004D-MU-P, Estados
Unidos, 2003.
7. Allen Bradley. – “SLC 500: Modular Hardware Style”, Publicación 1747- UM011E-EN-P,
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para el PLC SLC 5/05 de Allen Bradley”, Proyecto eléctrico, Universidad de Costa Rica,
9. Kuo, B.C. - “Sistemas de control automático”, Prentice Hall Hispanoamericana,
México,1996.
10. Ogata, K. - “Ingeniería de control moderna”, Pearson Educación, S.A., España, 4ta
edición, 2003.
11. Ogata, K. – “Discrete-time control systems”, Prentice Hall, Inc., Estados Unidos, 2da
edición, 1995.
1. Aguilar, V. –“Análisis de las diferencias entre la CPU de un PLC y la de un
computador industrial con Windows CE, en el desempeño de tareas de control y
monitoreo”, Proyecto eléctrico, Universidad de Costa Rica, 2000.
2. Canales, R., Barrera R. –“ Análisis de sistemas dinámicos y control automático”,
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3. Coughlin, R. –“ Amplificadores Operacionales”, Prentice Hall, México, 1999.
4. Kuo, B.C. - “Sistemas de control automático”, Prentice Hall Hispanoamericana,
5. Kuo, B.C. - “Sistemas automáticos de control”, C.E.C.S.A., México,1970.
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Universidad de Costa Rica, Costa Rica, 1989.
7. Mazón, I. –“Sistemas en tiempo discreto”, Notas del Curso: Sistemas en tiempo
discreto impartido en la Universidad de Costa Rica, Costa Rica, 1999.
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9. Murillo, R. –“Diseño y montaje de un controlador discreto de posición para el carrusel
de la celda de manufactura, utilizando el microcontrolador 8051”, Proyecto eléctrico,
Universidad de Costa Rica, 2000.
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11. Ogata, K. - “Ingeniería de control moderna”, Pearson Educación, S.A., España, 4ta
12. Ogata, K. – “Discrete-time control systems”, Prentice Hall, Inc., Estados Unidos, 2da
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Costa Rica, Costa Rica, 1975.
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1. The MathWorks, Inc., Netick, Massachusetts, EUA, http://www.mathworks.com
2. Allen Bradley, EUA, http://www.ab.com.
A.1 Introducción a los sistemas de control.
A.1.1 Tipos de señales.
En los procesos industriales modernos existen diferentes tipos de señales las cuales pueden
ser de control, medición, etc. A continuación se realizará una clasificación de las señales
eléctricas según su comportamineto en el tiempo.
A.1.1.1 Señales continuas.
Una señal en tiempo continuo es aquella que se define sobre un intervalo continuo de tiempo.
Esto es, existe un valor de magnitud de la señal para cada instante del tiempo.
La amplitud puede tener un intervalo continuo de valores (señal analógica) o solamente un
número finito de valores distintos (señal cuantizada). El proceso de representar la amplitud de
la señal por medio de un conjunto de valores finitos se denomina cuantificación. En la figura
A.1 se muestran estos dos tipos de señales.
A.1.1.2 Señales discretas.
Una señal discreta esta definida sólo para ciertos instantes de tiempo (esto es, aquellos en los
que la variable independiente t está cuantificada). La amplitud de la señal puede tener un
intervalo continuo de valores ó un número finito.
Figura A.1 Señales analógica y cuantizada.
En una señal en tiempo discreto, si la amplitud adopta valores en un intervalo continuo, se
denomina señal de datos muestreados. Una señal de datos muestreados se puede generar
tomando los valores de amplitud de una señal analógica en instantes determinados de tiempo.
Una señal muestreada es una señal de pulsos modulada en amplitud.
Una señal digital es una señal en tiempo discreto con amplitud cuantificada. Dicha señal se
puede representar mediante una secuencia de números, por ejemplo, una secuencia de
números binarios. La figura A.2 se muestran estos dos tipos de señal.
En la práctica, muchas señales digitales se obtienen mediante el muestreo de señales
analógicas que después se cuantifican. La cuantificación es lo que permite que estas señales
analógicas sean leídas como palabras binarias por un procesador digital.
Los términos como “sistemas de control en tiempo discreto”, “sistemas de control de datos
muestreados” y “control digital” implican el mismo tipo o tipos muy similares de sistemas de
control. Hablando en forma precisa, existen diferencias en estos sistemas. Por ejemplo, en un
“sistema de control de datos muestreados” hay tanto señales en tiempo continuo como en
tiempo discreto; las señales en tiempo discreto están moduladas en amplitud por una señal de
pulsos. Por otra parte, los sistemas de control digital incluyen señales en tiempo discreto que
están codificadas en forma de secuencias numéricas binarias.
Figura A.2 Señales muestreada y digital.
A.2 Modelado matemático de los sistemas de control.
El análisis matemático de los sistemas de control realimentado se efectúa, generalmente, por
medio de las funciones de transferencia de cada una de las partes del sistema.
Todo proceso puede ser modelado matemáticamente por una ecuación diferencial. Entonces,
aplicando la transformada de Laplace a la ecuación diferencial; con condiciones iniciales cero,
se puede, despejado la razón variable de salida/variable de entrada, encontrar una relación
algebraica en términos de la variable compleja ‘s’. Esta relación se conoce como función de
transferencia del proceso.
A.2.1 Sistemas de control en tiempo continuo.
A.2.1.1 Función de transferencia de un sistema de control.
En un sistema realimentado, la función de transferencia del lazo cerrado relaciona la variable
controlada con la entrada de valor consina y las pertubaciones. La figura A.3 muestra el
diagrama de bloques de un sistema realimentado.
Figura A.3 Sistema de control Realimentado.
-c(s): variable controlada.
-r(s): valor consigna o valor deseado.
-e(s): error, es el valor consigna menos la señal realimentada .
-u(s): salida del controlador.
-y(s): señal realimentada.
-m(s): variable manipulada.
-z(s): perturbación externa.
-n(s): ruido de medición.
Se distinguen varios bloques en la figura. Cada uno de ellos representa un elemento del
sistema de control mediante una función de transferencia. La descripción de cada bloque es:
Gc(s): Función de transferencia del controlador. Modela el algoritmo de control.
Ga(s): Función de transferencia del actuador.
Gp’(s): Función de transferencia del proceso o planta.
Gs(s): Función de transferencia del sensor transmisor.
Generalmente existen dos tipos de sistemas: el servosistema y el regulador. En el
servosistema, la variable controlada sigue un valor consigna. En el regulador se busca que la
variable controlada no varíe su valor ante perturbaciones externas que afecten el sistema.
Por ejemplo, la variable controlada pondría tratarse de una presión. Entoces, el objetivo de un
servosistema sería llevar esa presión de un valor a otro, según lo indica la señal consigna. Esta
señal puede ser dada por un operador a través de un panel de mando. Un aspecto importante a
tomar en cuenta es que realmente el controlador no monitorea la variable física de presión,
sino una señal realimentada que proviene del sensor transmisor. De igual forma, la señal de
salida del controlador no afectará de manera directa la variable manipulada, sino que lo hará a
través de un actuador. Es posible realizar una serie de simplificaciones al diagrama anterior,
de tal manera que sea más sencillo realizar el análisis. Se incluirán los bloques del actuador,
del sensor y la planta en un único bloque llamado Gp(s). El diagrama de bloques simplificado
se muestra en la figura A.4.
Figura A.4 Diagrama en bloques de un sistema realimentado.
La ecuación (A.1) muestra a Y(s) como función de las entradas R(s) y Z(s).
Gc s ( ) Gp s ( ) ⋅
1 Gc s ( ) Gp s ( ) ⋅ +
R s ( ) ⋅
Z s ( ) ⋅ + :=
Aquí se analizará el comportamiento del sistema solamente como servomecanismo, por lo que
en los cambios en la entrada de perturbación Z(s) se desprecian. Con esta simplificación, el
segundo término de la ecuación puede ser eliminado. La ecuación (A.2) muestra la relación
final entre la variable realimentada y el valor consigna. De aquí en adelante la relación (A.2)
es la función de transferencia del sistema.
A.2.1.2 Algoritmo de control proporcional, integral, derivativo ó PID.
El bloque Gc(s) corresponde a la función de transferencia del controlador. Existen diferentes
tipos de función dependiendo del tipo de controlador que se implementa y del tipo de
comportamiento que se quiere que el sistema tenga. Entre los algoritmos más comunes está el
algoritmo PID, el cual utiliza tres operaciones matemáticas que son aplicadas sobre el error o
sobre la variable realimentada, El propósito del algoritmo es obtener información del
comportamiento de la planta, y poder así aplicar una señal al actuador para lograr el
comportamiento deseado de la variable controlada. A cada una de estas operaciones se le
llama modo de operación. Específicamente, existen el modo proporcional, el modo derivativo
y el modo integral.
Modo proporcional: consiste en aplicar una ganancia al error de tal forma que la salida del
controlador sea proporcional al error. El parámetro del controlador asociado a este modo es
, un valor sin unidades.
U s ( ) K
⋅ E s ( ) ⋅ :=
Modo integral: Aplica la operación integral a la señal de error. Sirve para medir la magnitud
acumulada del error. Su aporte al valor de la señal de salida del controlador es cero sólo si el
error es cero. El parámetro del controlador asociado a este modo es T
, que se define en
unidades de segundos. El T
se conoce como tiempo integral y es el tiempo que le tardaría a la
salida del modo integral alcanzar el valor en magnitud de la salida del modo proporcional.
Modo derivativo: Este modo deriva el error. Por su naturaleza, mide la rapidez con que el
error cambia instantáneamente. El parámetro relacionado directamente a este modo es T
conocido como tiempo derivativo, y es el tiempo que se adelanta la salida del controlador
respecto del modo proporcional. Está dado en valores de segundos.
En ciertas aplicaciones donde se esperan cambios repentinos (llamados de tipo escalón) en el
valor deseado, este modo se aplica sólo a la señal realimentada. Luego su salida se resta de la
suma de las salidas de los otros modos. Esto se realiza así para evitar sobreesfuerzos del
actuador de la planta.
La ecuación que modela la forma en que el algoritmo actúa es:
A esta ecuación se le conoce como ecuación del PID ideal. Sin embargo, existen muchas otras
ecuaciones que relacionan los modos de manera diferente. Por ejemplo la ecuación del PID
serie ó la del PID paralelo.
Aplicando la transformada de Laplace se encuentra la función de transferencia del controlador
PID ideal.
u t ( ) K
τ e τ ( )
⋅ + T
A.2.1.2.1 Sintonización de un controlador PID.
El diseño de los sistemas de control se basa en lograr un cierto comportamiento del sistema.
Existen criterios para medir ese comportamiento basados en cómo cambia la magnitud de la
variable realimentada con el tiempo.
La figura A.5 muestra un posible comportamiento de la magnitud de una variable
realimentada en el tiempo ante un cambio tipo escalón unitario en la variable consigna. La
figura A.5 se utiliza de ejemplo para mostrar las especificaciones de diseño, y cómo se miden.
Figura A.5 Cambio de y(t) ante un cambio escalón en el valor consigna r(t).
En el gráfico se distinguen los parámetros de diseño para servomecanismos:
a5 : tiempo de asentamiento al 5%. Es el tiempo que le toma a la variable realimentada entrar
en la franja del 5% de error.
: tiempo muerto o retardo de transporte del sistema. Generalmente producto de un tiempo
muerto de la planta que se controla.
Gc s ( )
1 Mr s ( ) −
τ: Constante de tiempo del sistema.
: error en estado permanente. Es la diferencia entre el valor consigna y el valor de la
variable realimentada cuando ha pasado un tiempo mucho mayor a τ.
El propósito del controlador PID es ayudar a lograr un comportamiento de la variable
controlada de manera que se pueda cumplir con las especificaciones de diseño. Para ello, se
deben definir los valores K
del controlador. Dicha acción se le llama sintonización del
A.2.1.2.1.1 Método de sintonización por síntesis de controladores.
Una vez que el modelo del proceso es conocido, es posible calcular una función de
transferencia del sistema que asegure que la variable realimentada cumple con las
El método de sintonización por síntesis de controladores sigue esta línea de análisis, y plantea
el problema de encontrar la función de transferencia del controlador necesaria para que; dado
un modelo del proceso; se obtenga la función de transferencia del sistema deseada.
Sea Mr(s) la función de transferencia del sitema deseada, y Gp(s) la función de
transferencia del modelo del proceso. La función de transferencia del controlador es:
Por ejemplo; se desea controlar un proceso cuyo modelo es una función de transferencia de
segundo orden más tiempo muerto:
Gc s ( ) K
Además, se quiere que el sistema de control se comporte como un sistema de primer orden con
constante de tiempo τ
; más un tiempo muerto t
. Para simplificar las ecuaciones, se esco-
gerá el t
del sistema igual al retardo la planta. La función de transferencia del sistema, Mr(s),
Aplicando la ecuación A.5, se obtiene la siguiente función de transferencia del controlador:
A.2.1.2.1.2 Conversión de parámetros algoritmos PID.
La ecuación (A.8) es conocida como el algoritmo de control PID serie. Esto significa que el
método de síntesis de controladores está diseñado para algoritmos PID serie.
Sin embargo, en caso de que el controlador de que se dispone aplique un algoritmo PID ideal,
es posible, aun, utilizar el método de sintonización anterior. Una vez sintonizado el
controlador serie para los parámetros de diseño, se puede hallar los parámetros T
un controlador PID ideal con las siguientes ecuaciones de transformación:
A.2.2 Sistemas de control en tiempo discreto.
Los sistemas de control en tiempo discreto son aquellos sistemas en los cuales una ó más de
las variables es una señal discreta. Se habló en el apartado A.1.1.2 que una señal discreta
asigna magnitud sólo a ciertos valores de t. Si esta señal o función discreta tuviera un valor x
en momentos periódicos de tiempo, sería posible definirla como una sucesión de valores cada
k*T (k = 0, 1, 2,...) segundos. Estos instantes pueden especificar los tiempos en los que se
lleva a cabo alguna medición de tipo físico o los tiempos en los que se extraen los datos de la
memoria de una computadora. El intervalo de tiempo entre estos dos instantes discretos se
supone que es lo suficientemente corto, de modo que el dato, para el tiempo entre éstos, se
pueda aproximar mediante una interpolación sencilla.
Si en el sistema de control está involucrada una computadora como controlador, los datos
muestreados se deben convertir a datos digitales.
Los sistemas en tiempo continuo, cuyas señales son continuas en el tiempo, se pueden
describir mediante ecuaciones diferenciales. Los sistemas en tiempo discreto, cuyas señales
son datos muestreados o señales digitales, deben ser descritos mediante ecuaciones en
A.2.2.1 Proceso de muestreo.
La operación que transforma las señales en tiempo continuo en datos en tiempo discreto se
denomina muestreo o discretización.
El elemento que realiza este muestreo se conoce como muestreador, en el cual una señal
continua se muestrea cada T segundos para obtener una secuencia de valores que representa la
señal en los instantes de muestreo. Esa secuencia de valores se identificará mediante un
asterisco. Por ejemplo para la señal r(t) continua, la secuencia discreta que la representa es
r*(t).
δΤ t ( )
δΤ t k Τ ⋅ −
x kT ( ) e
k − T ⋅ s ⋅
x kT ( ) z
Para analizar esta función, se considerará un muestreador ideal, cuya salida es un tren de
impulsos, empezando en t=0, cada uno distanciado un t=T, y con una amplitud igual a la
amplitud de la señal de entrada en los instantes de muestra. Aquí se considera que r(t)=0 para
La señal r*(t) se puede representar mediante funciones en tiempo continuo de la siguiente
r*(t)=r(kT)δT(t) (A.9)
con δT(t) una sucesión de impulsos unitarios definida como:
donde δT(t) es la discretización de la función delta de Dirac para t en el conjunto de los
números reales. Esta es la representación matemática de la función del muestreador.
La trasformada de Laplace de la ecuación (A.9) es:
Ahora si s=(1/T)ln(z) se obtiene:
Lo que significa que la transformada de Laplace de x*(t) evaluada en s = ln(z)/T es la
transformada z de x(t).
A.2.2.2 Proceso de retención.
El proceso de retención consiste en generar una señal continua h(t) de una secuencia en tiempo
discreto m(kT). Un circuito retenedor convierte la señal muestreada en una señal en tiempo
continuo. Se supone que h(t) es igual a m(kT) en los instantes t=kT y t=(k+1)T, tal que la
forma de la señal h(t) entre estos dos instantes puede ser aproximada por:
con t = kT+τ.
Entones como h(t) pasa por m(kT), m((k+1)T),…
h(kT) = m(kT) y . (A.14)
Si n = 0 se tiene que la ecuación (A.13) se transforma en:
h(kT+τ) = m(kT) 0<τ<T para k=0 (A.15)
kT<τ<(k+1)T para k>0
Es la ecuación de un retenedor de orden 0.
Mediante la transformada de Laplace de h(t) se puede hallar la función de transferencia del
h t ( ) a
⋅ .. + a
G s ( )
T − s ⋅
m kT ( ) :=
Y z ( )
y kT ( ) z
A.2.2.3 Función de transferencia discreta de un sistema realimentado.
Para analizar los sistemas de control de lazo cerrado donde el controlador es un dispositivo
digital tal como un PID o un PLC, es conveniente realizar ciertas transformaciones del
dominio del tiempo al dominio complejo. Debido a la naturaleza del procesador del
controlador digital, las decisiones que el mismo toma sobre la señal de error, para operar sobre
el actuador, se realizan en instantes de tiempo discretos marcados por su reloj interno. De este
modo, se deben aplicar herramientas de análisis de sistemas en tiempo discreto, aun cuando la
planta sea un dispositivo analógico. Es por ello que se utiliza la transformada z como la
principal herramienta en el análisis del control digital.
Función de transferencia z de lazo abierto.
La función de transferencia z de los sistemas discretos es la relación de la transformada z de la
salida entre la transformada z de la entrada.
Considerese primero cual es la respuesta de un sistema continuo ante una entrada muestreada
x*(kT). Se supone que x*(kT) es cero para todo instante t antes de t=0. La función de
trasferencia de nuestro sistema continuo es G(s). La salida del sistema es y(t), que es una señal
continua. Si se coloca un muestreador ficticio a la salida y(t) se obtendrá un tren de pulsos
cuya transformada z es:
Para los sistemas continuos se sabe que la salida está relacionada con la entrada por:
x kT hT − ( ) g hT ( ) ⋅
τ x t τ − ( ) g τ ( ) ⋅
y kT ( )
Con g(t) la función respuesta al impulso del sistema. Para sistemas discretos, esta relación es:
Como los términos de la sumatoria para h>k son cero (pues x(t) = 0 para t<0), la expresión
anterior puede ser escrita como:
Como Y(z) es:
Que se resume como:
Con G(z) la transformada z de g(t). La ecuación (A.23) es la función de transferencia z del
Y z ( ) X z ( ) G z ( ) ⋅ :=
) / ) ( ( ) 1 ( ) (
s s Gp Z z z G
t gt L s Gt
Función de transferencia z del retenedor.
Como se vió, la función de transferencia del retenedor es:
Si este retenedor esta en serie con la planta, la transformada z de la combinación es:
Con Gp(s) la transformada de Laplace de la planta y Z( ) la transformada z. La ecuación
(A.25) se conoce como equivalente retenedor planta.
Función de transferencia z de lazo cerrado.
Para obtener la función de transferencia de un sistema de lazo cerrado, se debe hacer:
-Visualizar las salidas de los muestreadores como entradas al sistema.
-Todas las otras no entradas del sistema serán salidas.
-Escribir las ecuaciones que representan la salida en términos de las entradas mediante los
-Aplicar la transformada z de estas expresiones para obtener la FT (función de transferencia) z
Figura A.6 Sistema discreto en lazo cerrado.
* )) ( ) ( ( 1
) ( * ) (
s R s G
Considere el sistema en tiempo discreto en lazo cerrado mostrado en la Fig. A.6. La salida del
muestreador se visualiza como una entrada al sistema. El sistema tiene entradas R(s) y E*(s).
Las señales E(s) y Y(s) son las salidas del sistema.
Al escribir las relaciones entre salida y entrada para las salidas E(s) y Y(s) utilizando
diagramas de bloques, se obtiene:
E(s) = R(s) - G(s)H(s)E*(s) (A.26)
Y(s) = G(s)E*(s) (A.27)
Observe que el segundo miembro de las dos últimas ecuaciones contiene solamente las
entradas R(s) y E*(s). Si E(s) se muestrea se obtiene
Al sustituir la ecuación (A.28) es la ecuación (A.27) se tiene:
Y*(s)/R*(s)=G*(s)/(1+(G(s)H(s))*) (A.30)
Tomando la transformada z:
La ecuación (A.31) es la función de transferencia z de lazo cerrado de un sistema discreto.
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