Arquitectura de un sistema automatizado con PLC (24 Vcc, tierra, EMC y supresores)

 

1. Arquitectura general de un sistema automatizado

A nivel de tablero, un sistema típico con PLC se puede imaginar como bloques:

  1. Alimentación de potencia

    • Red 120/240/480 VCA

    • Breakers, fusibles, contactores, variadores, motores

  2. Alimentación de control (24 Vcc)

    • Fuente conmutada 24 Vcc

    • Distribución a PLC, módulos de E/S, sensores, relevadores

  3. PLC y módulos de E/S

    • CPU

    • Módulos de entradas/salidas digitales

    • Módulos de entradas/salidas analógicas

    • Módulos especiales (contadores rápidos, motion, etc.)

  4. Dispositivos de campo

    • Sensores (finales de carrera, inductivos, fotoeléctricos, presostatos, transmisores 4–20 mA)

    • Actuadores (contactores, relés, electroválvulas, variadores, servos)

  5. Red de comunicación

    • Ethernet industrial, Modbus RTU/TCP, Profibus/Profinet, etc.

  6. Interfaz hombre–máquina (HMI)

    • Pantalla local en puerta de tablero

    • Panel táctil, SCADA, etc.

  7. Protecciones y calidad de energía

    • Puesta a tierra

    • Supresores de sobretensión (SPD)

    • Filtros EMC

    • Supresores en bobinas

Todo se sostiene sobre tres pilares: buena alimentación de 24 Vcc, tierra bien pensada y EMC controlado.

2. PLC y módulos de E/S: lo esencial

2.1. Elementos básicos

  • CPU del PLC

    • Procesador, memoria, reloj, puerto(s) de comunicación.

    • Suele tener algunas E/S integradas.

  • Módulos de entrada digital (DI)

    • Reciben señales tipo ON/OFF (24 Vcc, 120 VCA, según modelo).

    • Ejemplos: pulsadores, finales de carrera, sensores de proximidad.

  • Módulos de salida digital (DO)

    • Entregan señales ON/OFF hacia bobinas de relés, contactores, luces piloto, etc.

    • Pueden ser a transistor, a relé o a triac.

  • Módulos de entradas analógicas (AI)

    • Señales 0–10 V, 4–20 mA, PT100, termopar, etc.

  • Módulos de salidas analógicas (AO)

    • Señales 0–10 V, 4–20 mA para variadores, válvulas proporcionales, etc.

2.2. Dimensionado del PLC (en número de E/S)

Pasos prácticos:

  1. Lista de señales de campo (I/O List)

    • Cuántas entradas digitales, salidas digitales, entradas analógicas, salidas analógicas.

  2. Margen de crecimiento

    • Sumar un 20–30 % adicional para futuras ampliaciones.

  3. Seleccionar familia de PLC

    • ¿Alcanzan las E/S integradas?

    • ¿Necesitas bastidor/módulos de expansión?

  4. Verificar características eléctricas

    • Tensión de trabajo de E/S (24 Vcc, 120 Vca)

    • Corriente máxima por canal y por grupo

    • Aislamiento galvánico, tipo de sensor (PNP/NPN).

3. Fuentes de 24 Vcc: cómo dimensionarlas

La fuente de 24 Vcc es el “corazón de control”. Si falla, el sistema entero cae.

3.1. Cálculo de corriente requerida

Pasos:

  1. Revisar en el catálogo el consumo de cada elemento a 24 Vcc:

    • PLC + módulos (en amperios o vatios)

    • Sensores, relés, HMI, transmisores, etc.

  2. Convertir a corriente cuando venga en potencia:

    I=PVI = \frac{P}{V}

    Ejemplo: 10 W a 24 V → 10 / 24 ≈ 0.42 A

  3. Sumar todas las corrientes:
    Supongamos:

    • PLC + módulos: 0.8 A

    • Sensores: 0.5 A

    • Relés/actuadores pequeños: 0.6 A
      Total: 0.8 + 0.5 + 0.6 = 1.9 A

  4. Agregar margen del 30 %:

    • 1.9 A × 1.3 ≈ 2.47 A

    • Seleccionas una fuente de 24 Vcc / 3 A como mínimo.

Regla práctica:

  • Nunca trabajes la fuente a más del 70–80 % de su capacidad nominal.

3.2. Distribución de 24 Vcc

  • Usar borneras dedicadas para +24 V y 0 V.

  • Separar salidas para:

    • PLC y módulos

    • Sensores

    • Bobinas de relés/pequeños actuadores

  • Proteger ramas con fusibles o disyuntores miniatura de CC.

4. Cómo conectar un PLC 24 Vcc (paso a paso)

4.1. Lado de potencia (CA)

  1. Desde la red (ej. 230 VCA)

    • Main breaker.

    • Protección contra sobretensión (SPD) en la entrada del tablero (Clase II típico).

    • Distribución a:

      • Fuente 24 Vcc

      • Variadores

      • Cargas de potencia.

  2. La fuente 24 Vcc se alimenta desde un breaker separado con su respectiva tierra.

4.2. Lado de control (24 Vcc)

  1. Salida de la fuente 24 Vcc → bornera de distribución.

  2. Desde la bornera:

    • +24 V → bornes de alimentación del PLC y módulos.

    • 0 V → bornes de retorno del PLC y módulos.

  3. +24 V y 0 V también se llevan a borneras de campo para sensores y bobinas de relés.

4.3. Entradas digitales típicas (24 Vcc)

  • Configuración común PNP:

    • Sensor alimentado con +24 V y 0 V.

    • Salida del sensor lleva +24 V cuando está activado.

    • Esa salida entra al canal de entrada digital del PLC.

    • El común de entradas del módulo va al 0 V.

4.4. Salidas digitales típicas

  • Si el módulo es a transistor (24 Vcc):

    • +24 V → un lado de la carga (bobina de relé, pequeño solenoide).

    • El otro lado de la carga → salida del PLC.

    • Común del módulo → 0 V.

  • En salidas a relé, estas manejan la carga directamente como un contacto y tú decides qué tensión conmuta (siempre dentro del límite del módulo).

5. Puesta a tierra: PE y 0 V de control

Muy importante no confundir:

  • PE (Protective Earth)

    • Conductor de protección, verde/amarillo.

    • Unido al chasis del tablero, carcasas metálicas, bandejas, carcasas de motores, etc.

  • 0 V de control

    • Retorno de la fuente de 24 Vcc.

    • Es un conductor de señal, no de protección.

5.1. Buenas prácticas

  1. Crear una barra de tierra en el tablero:

    • Allí llegan todos los PE (entrada de red, carcasa de gabinete, chasis, bandejas, carcasas de equipos).

  2. Conectar el 0 V de control a tierra en un solo punto (si la filosofía del sistema lo requiere):

    • Esto crea una referencia común y evita flotajes de potencial.

    • No multiplicar puntos de unión para no formar lazos de tierra.

  3. Cable de tierra siempre más corto y directo posible.

  4. Sensores, variadores, PLC, HMI:

    • Conectar sus bornes de tierra a la barra de PE, según instrucción del fabricante.

6. EMC: cómo evitar problemas de ruido

La compatibilidad electromagnética es que el sistema no genere ni sufra interferencias.

6.1. Diseño físico del tablero

  • Separar físicamente:

    • Zona de potencia (variadores, contactores, arrancadores, barras)

    • Zona de control (PLC, módulos, HMI, borneras de señales)

  • Mantener distancias mínimas entre cables de potencia y cables de señal.

  • Si deben cruzarse, que sea en ángulo recto.

6.2. Cableado

  • Para señales analógicas (0–10 V, 4–20 mA):

    • Usar cable apantallado.

    • Conectar la malla del blindaje a tierra por un solo extremo (normalmente lado del PLC).

  • Mantener los cables de comunicación y analógicos alejados de:

    • Cables de motor

    • Cables de salida de variadores

    • Cables de contactores de alta corriente

  • Usar filtros EMC o reactancias en variadores según recomiende el fabricante.

6.3. Disposición en bandejas

  • Bandeja de potencia separada de bandeja de control.

  • Si van en la misma, usar divisores metálicos.

7. Supresores: proteger bobinas y módulos

Cada vez que desenergizas una bobina, se genera un pico de tensión. Si no se controla:

  • Se dañan salidas del PLC o relés de interfaz.

  • Se generan pulsos de ruido que afectan comunicaciones y señales analógicas.

7.1. Bobinas en CC (24 Vcc)

  • Usar diodo en antiparalelo (flyback) sobre la bobina:

    • Cátodo al positivo, ánodo al negativo.

    • El diodo absorbe la sobretensión al abrir el circuito.

  • Alternativa: módulos de relé con supresión integrada.

7.2. Bobinas en CA (110/220 Vca)

  • Usar red RC (snubber) o varistor en paralelo con la bobina.

  • A menudo se venden como accesorios que se montan directamente sobre el contactor.

7.3. Supresores en alimentación

  • En la entrada de la red del tablero:

    • SPD de tipo adecuado a la categoría de instalación.

  • En salidas hacia líneas largas de campo (sensores remotos):

    • Supresores específicos si hay riesgo de descargas o picos.

8. Redes de comunicación y HMI

8.1. Redes típicas

  • Ethernet industrial (Modbus TCP, Profinet, Ethernet/IP)

    • Topología en estrella con switches.

    • Cable UTP/FTP Cat5e o superior.

    • Conectar blindaje de los conectores a tierra en el punto recomendado.

  • Redes serie (Modbus RTU, RS-485)

    • Topología bus: maestro–esclavos.

    • Cable par trenzado y apantallado.

    • Resistencias de terminación en los extremos del bus.

    • Blindaje conectado a tierra en un punto.

8.2. HMI

  • HMI conectada al PLC por Ethernet o serie.

  • Alimentación muchas veces también a 24 Vcc:

    • Incluir en el cálculo de la fuente.

    • Seguir recomendaciones de puesta a tierra del fabricante (a menudo, conectar el marco a PE).

9. Checklist rápido para dimensionar y conectar un PLC 24 Vcc

  1. Definir I/O List

    • Contar señales digitales y analógicas, añadir 20–30 % de reserva.

  2. Seleccionar PLC y módulos

    • Ver tensión de E/S, corrientes máximas, tipo de sensores (PNP/NPN).

  3. Calcular fuente 24 Vcc

    • Sumar consumos de PLC, módulos, sensores, relés, HMI.

    • Convertir W a A, sumar, añadir 30 % de margen.

    • Elegir fuente con esa capacidad o mayor.

  4. Diseñar distribución 24 Vcc

    • Borneras para +24 V y 0 V.

    • Protecciones por rama (fusibles/MCB).

  5. Puesta a tierra

    • Barra de PE común.

    • Conectar todos los chasis/equipos.

    • Definir punto único de unión 0 V–tierra si se requiere.

  6. EMC

    • Separar potencia y control.

    • Cables apantallados para analógicas y comunicaciones.

    • Blindajes a tierra por un lado.

  7. Supresores

    • Diodos en bobinas de CC.

    • RC o varistor en bobinas de CA.

    • SPD en alimentación del tablero.

  8. Red y HMI

    • Elegir protocolo (Ethernet, Modbus, etc.)

    • Definir topología, terminaciones y apantallamiento.

Si quieres, en el siguiente paso podemos tomar un caso concreto (por ejemplo, un PLC pequeño para una banda transportadora con 10 sensores y 6 motores) y te lo diseño completo: selección de PLC, cálculo de fuente, esquema de conexiones 24 Vcc, puesta a tierra y supresores recomendados.

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