- Qué es un PLC y la automatización industrial
- Mapa visual de la automatización industrial
- La pirámide de automatización: 5 niveles
- Cómo funciona el PLC: el ciclo de escaneo
- Lenguajes y ladder
- Ejemplo: dimensionar I/O y tiempo de respuesta
- SCADA y HMI: el nivel de supervisión
- Cómo estructurar un proyecto de automatización
- Errores comunes y limitaciones
- Preguntas frecuentes
Qué es un PLC y la automatización industrial
El PLC (controlador lógico programable) es el computador industrial que lee sensores, ejecuta un programa y acciona motores, válvulas y lámparas en ciclos de milisegundos. La automatización industrial es el conjunto formado por él, los sensores y actuadores, el HMI y el SCADA, organizado en niveles en la llamada pirámide de automatización.
Entender la pirámide evita dos errores comunes: pedirle al ERP que controle una máquina y pedirle al PLC que planifique la producción. Cada nivel tiene una función, un tiempo de respuesta y un tipo de dato. Es la base de cualquier proyecto de Industria 4.0 en planta.
Mapa visual de la automatización industrial
El mapa muestra la pirámide, el ciclo de escaneo, los lenguajes de la IEC 61131-3 y el ejemplo de dimensionamiento de este artículo.
La pirámide de automatización: 5 niveles
| Nivel | Capa | Función | Tiempo de respuesta típico |
|---|---|---|---|
| 0 | Campo | Sensores, actuadores, motores, válvulas | Instantáneo (señal física) |
| 1 | Control | PLC, variadores, controladores de movimiento | Milisegundos |
| 2 | Supervisión | HMI y SCADA: visualizar, alarmar, registrar | Cientos de ms a segundos |
| 3 | Operación | MES: órdenes, reporte, trazabilidad | Segundos a minutos |
| 4 | Gestión | ERP: pedidos, inventario, costos | Minutos a horas |
La numeración sigue el modelo ISA-95 (niveles 0 a 4). Cuanto más alto, menor la frecuencia de datos y mayor el horizonte de decisión. El enlace entre el nivel 2 y el 4 es el MES, que traduce la orden del ERP en instrucciones de máquina y devuelve lo producido. El reporte de la orden de producción es un ejemplo típico de esa conversación.
Cómo funciona el PLC: el ciclo de escaneo
El PLC repite continuamente cuatro tareas, llamadas ciclo de escaneo (scan):
- Lee las entradas (botones, sensores) y guarda una copia en memoria.
- Ejecuta el programa del usuario, instrucción por instrucción, sobre esa copia.
- Escribe las salidas (contactores, solenoides) con el resultado.
- Atiende la comunicación y el diagnóstico interno.
Como el PLC trabaja por ciclos, no "ve" un pulso más corto que su tiempo de escaneo sumado al filtro de entrada. Para eventos rápidos (conteo de alta frecuencia, encoder) se usan entradas dedicadas o módulos de conteo rápido.
El hardware típico: CPU, fuente, módulos de entrada digital (DI), salida digital (DO), entrada analógica (AI) y salida analógica (AO), más la red de comunicación. Los protocolos industriales comunes son Modbus, PROFINET, EtherNet/IP y OPC UA.
Lenguajes y ladder
La norma IEC 61131-3 define los lenguajes de programación del PLC: diagrama de contactos (ladder, LD), diagrama de bloques de funciones (FBD), texto estructurado (ST) y gráfico de funciones secuenciales (SFC). La lista de instrucciones (IL) existe en versiones antiguas y está en desuso. El ladder imita el esquema eléctrico de relés, por eso lo prefieren electricistas y mantenimiento.
El ejemplo clásico es el arranque de motor con enclavamiento (retención). Entradas: botón Marcha (contacto NA), botón Paro y relé térmico (ambos NC, en serie, de modo que un cable roto detiene el motor). La lógica de la línea es:
Motor = (Marcha O Motor) Y Paro_ok Y Térmico_ok
| Situación | Marcha | Motor (enclavamiento) | Paro y térmico ok | Salida Motor |
|---|---|---|---|---|
| Reposo | 0 | 0 | 1 | 0 |
| Pulsa Marcha | 1 | 0 | 1 | 1 |
| Suelta Marcha (el enclavamiento mantiene) | 0 | 1 | 1 | 1 |
| Pulsa Paro o actúa el térmico | 0 | 1 | 0 | 0 |
El punto de seguridad: la parada de emergencia y las protecciones de personas deben tener circuito propio, con relé o PLC de seguridad, y no depender solo del programa común. Vea el contexto en seguridad de máquinas y Lean.
Ejemplo: dimensionar I/O y tiempo de respuesta
Ejemplo ficticio de una celda de envasado. El levantamiento de señales dio: 24 entradas digitales, 16 salidas digitales, 8 entradas analógicas y 4 salidas analógicas. Regla común: reservar 20% para ampliación y redondear a los módulos disponibles (DI y DO de 16 puntos, AI de 4 canales, AO de 2 canales).
| Tipo | Puntos | Con 20% | Módulo | Módulos | Puntos instalados |
|---|---|---|---|---|---|
| DI | 24 | 28,8 | 16 puntos | 2 | 32 |
| DO | 16 | 19,2 | 16 puntos | 2 | 32 |
| AI | 8 | 9,6 | 4 canales | 3 | 12 |
| AO | 4 | 4,8 | 2 canales | 3 | 6 |
Total: 10 módulos de I/O. Observe que el redondeo dio una reserva real mayor a 20% en DI y DO (32 puntos para 24 usados, 33%).
Luego, el tiempo de respuesta. Si el escaneo toma 1 ms (entradas) + 3 ms (programa) + 1 ms (salidas) + 1 ms (comunicación) = 6 ms, el peor caso para que una entrada se convierta en salida es de unos 2 escaneos = 12 ms: la señal puede cambiar justo después de la lectura, esperar el ciclo siguiente y solo entonces ser ejecutada y escrita. Sume filtros de entrada y retardo del módulo de salida. Para una cinta con margen de reacción de 50 ms, 12 ms bastan; para un evento de 5 ms, no.
Por último, la lectura analógica. Un sensor de presión de 0 a 10 bar con señal de 4 a 20 mA:
Presión = (I − 4) ÷ 16 × rango
Con 12 mA: (12 − 4) ÷ 16 × 10 = 5 bar. Con 13,6 mA: (13,6 − 4) ÷ 16 × 10 = 6 bar. Si la corriente cae por debajo de unos 3,8 mA, el programa debe tratarlo como cable roto, no como "presión cero". Esa es la ventaja del cero vivo en 4 mA.
SCADA y HMI: el nivel de supervisión
El HMI es la pantalla local de la máquina: el operario arranca, ajusta recetas y ve alarmas. El SCADA reúne varias máquinas y áreas: muestra el proceso en pantallas sinópticas, genera alarmas con prioridad, graba tendencias e historial y se comunica con el MES. El SCADA no controla en tiempo real; quien cierra el lazo de control es el PLC, y el SCADA envía consignas y recibe valores.
Los datos del SCADA alimentan indicadores como el OEE y disparan el mantenimiento junto con el CMMS. Las señales del PLC también sostienen el andon y la parada automática del jidoka.
Cómo estructurar un proyecto de automatización
- Describa el proceso y las secuencias (diagrama de flujo o SFC) antes de programar.
- Levante las señales (lista de I/O) y reserve holgura.
- Estandarice nombres de variables, bloques y pantallas.
- Separe la seguridad de la lógica común.
- Pruebe en simulación y con la máquina detenida antes de energizar.
- Documente y respalde el programa, y controle las versiones.
Errores comunes y limitaciones
- Conectar el ERP directo a la máquina sin MES ni capa intermedia, lo que crea una dependencia frágil.
- Programar sin lista de I/O y sin reserva para ampliación.
- Mezclar seguridad con lógica común.
- Ignorar el tiempo de escaneo en eventos rápidos.
- Dejar la red de automatización abierta a la red corporativa sin segmentación ni control de acceso.
- Sin respaldo ni documentación del programa.
Preguntas frecuentes
¿Qué es un PLC?
Es el controlador lógico programable: un computador industrial que lee entradas, ejecuta un programa y acciona salidas en ciclos de milisegundos.
¿Cuáles son los niveles de la pirámide de automatización?
Campo (0), control con PLC (1), supervisión con HMI y SCADA (2), operación con MES (3) y gestión con ERP (4).
¿Cuál es la diferencia entre PLC y SCADA?
El PLC controla la máquina en tiempo real. El SCADA supervisa varios PLC, muestra el proceso, genera alarmas y guarda el historial.
¿Qué es ladder?
Lenguaje gráfico de PLC en diagrama de contactos, parecido al esquema eléctrico de relés. Está definido en la IEC 61131-3.
¿Qué es el tiempo de escaneo?
Es el tiempo que el PLC tarda en leer entradas, ejecutar el programa y escribir salidas. En el ejemplo, 6 ms, con respuesta de peor caso de unos 12 ms.
¿Cómo convertir 4 a 20 mA en presión?
Presión = (I − 4) ÷ 16 × rango. Con 12 mA en un sensor de 0 a 10 bar, son 5 bar.
Fuentes
- IEC 61131-3. Programmable controllers — Programming languages. IEC.
- ANSI/ISA-95. Enterprise-Control System Integration. ISA.
- PETRUZELLA, F. D. Programmable Logic Controllers. McGraw-Hill.
- BOLTON, W. Programmable Logic Controllers. Newnes/Elsevier.
Para seguir estudiando: fuentes y enlaces fiables
- Plattform Industrie 4.0 (en inglés)
- SENAI: educação profissional e tecnológica para a indústria (en portugués)
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Sobre el autor
Especialista en Lean Manufacturing y Gestión del Comportamiento
Más de 20 años en la industria automotriz y metalmecánica (GM y Dana), especialista en Lean Manufacturing desde 2006. Instructor y mentor del SENAI en el programa Brasil Mais Produtivo, con consultorías, capacitaciones y auditorías en más de 50 empresas, uniendo calidad, productividad y desarrollo de personas.
