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CAPITULO VII
Interfases de entrada y salida
Misión:
Establecer un puente de comunicación entre el autómata y el
proceso.
Las interfases de entrada y salida son circuitos electrónicos que
transfieren señales eléctricas entre la CPU del PLC y los sensores y
actuadores que intervienen en el sistema automático.
Las interfases de entrada reciben diferentes tipos de señales
provenientes de sensores externos que oscilan entre 12 y 240 voltios
AC o DC y entregan al la CPU una señal completamente compatible
con la circuitería interna del PLC, la cual es de tipo TTL con voltajes
siempre entre 0 y 5 volts.
Por su parte las interfases de salida, reciben las órdenes de la CPU en
formas de señales TTL y entregan a su salida diversos tipos y niveles de
voltaje y corriente para ser llevados a los actuadores.
Las interfaces de salida son las encargadas de decodificar, y
amplificar las señales generadas durante la ejecución del
programa antes de enviarlas a los elementos de salida.
7.1 Tipos de interfases de
entradas y salidas
En los autómatas pequeños, el tipo de interfaces disponibles suele ser
limitado, siendo las más frecuentes, clasificadas por entradas y salidas:
– Entradas
Corriente directa a 24 ó 48 Vcc.
Corriente alterna a 110 o 220 Vca.
Analógicas de 0-10 Vcc o 4-20 mA
– Salidas
Por relé.
Estáticas por triac a 220 Vca máximo.
Colector abierto para 24 o 48 Vcc.
Analógicas de 0-10 V o 4-20 mA.
7.2 Entradas
7.2.1 De Corriente Directa
Típicamente los módulos de cd se pueden conseguir para trabajar a 5,
12, 24 y 48 volts. Hay que asegurarnos de adquirir el que se apegue a
nuestras necesidades basadas en el dispositivo de entrada a usar.
Los módulos de entrada de cd nos permiten conectar a ellos,
dispositivos de tipo transistor ya sea PNP ( suministro) o NPN (
drenado) .
Si estamos usando un interruptor regular ( por ejemplo : un interruptor
de palanca o un pushbuton)
normalmente no tenemos que
preocuparnos si lo alambramos como PNP o NPN.
La mayoría de los PLC’s no nos permiten mezclar dispositivos NPN y
PNP en el mismo módulo. Por eso, cuando usamos un sensor ( ojo foto
eléctrico, interruptor de proximidad etc.) siempre tenemos que verificar si
su salida es ya sea NPN o PNP, si no está seguro verifique con el
proveedor.
La diferencia entre estos dos tipos estriba en si la carga (en nuestro
caso, el PLC es la carga) es conmutada a tierra o a voltaje.
Un sensor tipo NPN tiene la carga conmutada a tierra
dispositivo PNP tiene la carga conmutada a voltaje
mientras un
Abajo se ilustra como se verían los sensores con salida NPN y PNP.
En los sensores NPN conectamos una salida a la entrada del PLC y la
otra salida a la tierra de fuente de alimentación. Si el sensor nos es
alimentado con la misma fuente de poder que la del PLC debemos
conectar ambas tierras juntas. Los sensores NPN son los más usados
en Norte América.
Muchos ingenieros dicen que los sensores PNP son mejores ( más
seguros) porque la carga es conmutada a tierra .
En los sensores PNP se conecta una salida al voltaje positivo y la otra
salida a la entrada del PLC . Si el sensor no está alimentado con la
misma fuente de poder que el PLC debemos conectar ambos voltajes
+V juntos. Los sensores PNP son los más usados en Europa.
Dentro del sensor ,el transistor actúa simplemente como un interruptor
.Los circuitos internos de los sensores le dicen al transistor de salida
prenderse cuando un objetivo está presente. Entonces el transistor
cierra el circuito entre las dos conexiones mostradas arriba. ( V+ y la
entrada del PLC).
El usuario solo tiene acceso a las terminales etiquetadas como
COMMON , INPUT 000 , INPUT 1111, INPUT xxxx
.La terminal común puede estar conectada a +V o a tierra. Donde se
conecte, depende del tipo de sensor usado . Cuando se usa sensores
tipo NPN esta terminal es conectada a +V . Cuando se usan sensores
tipo PNP esta terminal se conecta a 0V ( tierra).
Un interruptor ordinario ( limit switch, pushbutton, interruprot de palanca,
etc.) podrían ser conectados a las entradas en forma similar . Un lado
del switch se conecta a directamente a +V y el otro extremo va a la
terminal de entrada del PLC. Esto es, suponiendo que la terminal común
está conectada a 0V ( tierra) , si la terminal común está conectada a +V
entonces simplemente se conecta un extremo del switch a 0V ( tierra) y
el otro a la terminal de entrada del PLC:.
El opto-acoplador es usado para aislar la circuitería interna del PLC de
la entradas . Esto elimina la posibilidad de que ningún ruido eléctrico
entre al circuito interno. Estos trabajan convirtiendo señal eléctrica de
entrada a luz y desapués regresando la luz de nuevo a una señal
eléctrica para que pueda ser procesada por el circuito interno.
7.1.2 Entradas de CA
Ahora que entendemos como trabaja una entrada de CD , veamos como
lo hacen las entradas de CA.
Un voltaje CA es no polarizado. Esto simplemente significa que no hay
ni positivo ni negativo por la cual “ preocuparse”. Sin embargo, al
trabajar con voltajes ca pueden ser bastante peligrosos si no tenemos
el suficiente cuidado.
Típicamente, se encuentran en el mercad módulos de entrada de ca a
24,48,110 y 220 volts. Asegúrese de adquirir el módulo que se apegue
a sus necesidades basadas en el dispositivo de entrada (el voltaje) que
será usado.
¡ Ayyy....tengamos
cuidado
Hoy en día, los módulos de entrada de ac son menos comunes que los
módulos de entrada de cd. La razón es que los sensores de ahora
típicamente tiene salidas a transistor.
Un transistor no trabaja con voltaje ca . Lo más común es que los
voltajes de ca sean conmutados a través de linterruptores de límite ú
otros tipo de interruptores. Si en la la aplicación se está usando un
sensor, probablemente éste estará operando con un voltaje de cd.
Típicamente conectamos un dispositivo ca a un módulo de entrada de
ca como se muestra en la ilustración de arriba.
Comúnmente el “vivo” se conecta al interruptor mientras que el
“neutro” va al común del PLC. La tierra ca ( el tercer hilo si lo hubiera)
deberá conectarse a la terminal de tierra del gabinete del PLC (no se
muestra en la figura).
Al igual que en cd , las conexiones en ca tienen un color de acuerdo a
un código, para que cada terminal pueda ser identificada. Esta
codificación varía de país a país en EUA es: Blanco (neutro), Negro
(vivo) y verde (el 3er hilo de tierra física).
Fuera de Estados Unidos el código más común es: Café (Vivo) , Azul (
neutro) y verde con una franja amarilla ( 3er hilo de tierra física).
El módulo de entradas de ca típicamente luce como éste
A lo único que el usuario tiene acceso son las terminales etiquetadas
como COMMON, input 000, INPUTxxx.... La terminal común se conecta
al neutro.
Un interruptor ordinario podría conectarse directamente a las terminales
de entrada. Un extremo del interruptor se conecta directamente al la
entrada xxx y el otro extremo a la línea “viva “ de CA . Esto es,
suponiendo la terminal común conectada al neutro. Para seguridad
siempre confirme con el fabricante sobre el correcto almbrado.
El opto-acoplador es usado para aislar la circuitería interna del PLC de
la entradas . Esto elimina la posibilidad de que ningún ruido eléctrico
entre al circuito interno. Estos trabajan convirtiendo señal eléctrica de
entrada a luz y después regresando la luz de nuevo a una señal
eléctrica para que pueda ser procesada por el circuito interno.
Típicamente al PLC le toma más tiempo ver una entrada de CA que una
de cd. En la mayoría de los casos esto no les importante para el
programador, ya que un dispositivo de entrada es típicamente un
interruptor mecánico y
los dispositivos mecánicos son bastante
lentossss.
Un PLC comúnmente requiere que una entrada esté por lo menos 25
mseg. antes de poder ser visualizada. Este retardo es requerido por el
proceso de filtrado que es necesario por el circuito interno del PLC.
Recuerde que la circuitería interna del PLC típicamente trabaja con 5
volts o menos. De CD.
7.3 Salidas
7.3.1 Salidas a Relevador
Ahora le toca el turno a hablar sobre las salidas.
Uno de los tipos más comunes de salidas disponibles , son las salidas a
relevador. Un Relevador puede ser usado tanto con cargas de cd como
con cargas de ac.
Una carga es tan solo una palabra elegante para llamarle a todo lo que
se le conecte a nuestras salidas. La llamamos carga porque se esta´
”cargando la salida” con algo. Si no conectamos carga a la salida ( esto
es como hacer conexión directa a la fuente de poder) ciertamente
podríamos dañar las salidas. Esto sería como remplazara un foco con
un pedazo de alambre. Si se hace ésto la “lámpara” tomaría una gran
cantidad de corriente de la línea que por por supuesto que tronaría el
breaker, el fusible o tu cerebro.
Alguna formas communes de cargas
son solenoides, lámparas,
motores, etc. Estas cargas vienen en todos los tamaños. Se refiere a
tamaños eléctricos, por lo tanto,
siempre cerciórese de las
especificaciones de su carga antes de conectar a la salida del PLC.
Siempre debe asegurarse que su máximo consumo de corriente está
dentro de las especificaciones de la salida del PLC. Si no está dentro de
las especificaciones ( esto es que consume mucho más corriente) éste
probablemente dañará la salida..
Algunos tipos de carga son muy
“engañosas” . Estas cargas
“engañosas” son las llamadas “cargas inductivas” . Estas tienen la
tendencia de emitir una corriente de “ regreso ” cuando son encendidas
. Esta corriente de regreso es como un impulso de voltaje que pasa por
el sistema .
Esta puede ser riesgoso para la salida a relevador del PLC. Se estima
que este “golpe” es de aproximadamente 30 veces la corriente nominal
de la carga. Típicamente podría usarse un un diodo, varistor o algún
otro circuito “ snubber” para ayudar a combatir cualquier daño al
relevador.
Arriba se muestra un método típico de conectar nuestras salidas a los
relevadores del PLC Aunque nuestro diagrama muestra la salida
conectada a una fuente de ca , también se puede usar CD.Un relevador
es no polarizado y típicamente puede conmutar ya sea CA o CA.
Aquí el común es conectado a un extremo de la fuente de poder y el otro
extremo de la fuente es conectado a la carga La otra mitad de la carga
es conectada a la salida del PLC que se ha designado en el diagrama
de escalera.
El relevador es interno en el PLC ,el diagrama del circuito típicamente
luce como el mostrado arriba .
Cuando nuestro diagrama de escalera le dice a la salida que se
encienda, el PLC le aplicará internamente un voltaje a la bobina del
relevador. Este voltaje permitirá que el contacto apropiado se cierre.
Cuando el contacto se cierra , se permite que fluya una corriente externa
a través de nuestro circuito externo.
Cuando el diagrama de escalera le dice al PLC que apague la salida ,
simplemente quitará el voltaje del circuito interno que hará que el
contacto de salida se abra. Nuestra carga simplemente encontrará un
circuito abierto y esto hará que se apague.
7.3.2 Salidas a Transistor
Es importante recordar que el transistor solo puede conmutar señales de
corriente en CD. Por esta razón no puede ser usado con voltajes de ca.
Podríamos visualizar un transistor como un interruptor de estado sólido.
o más simple, como un interruptor eléctrico. Con una pequeña cantidad
de corriente que le apliquemos a la base del transistor conmutamos un
corriente más grande en la salida.
El PLC le aplica una pequeña cantidad de corriente a la base del
transistor y la salida del transistor se “ cierra”. Cuando se cierra, el
dispositivo conectado a la salida del PLC se encenderá.. Claro está,
que en la realidad todo esto es mucho más complejo .
También debemos tener en mente, como vimos anteriormente con las
entradas, que generalmente hay más de un tipo de transistores
disponibles. Típicamente un PLC tendrá ya sea salidas tipo PNP o
NPN..
El tipo físico de transistores usados varía de fabricante en fabricante .
Algunos de los tipos más comunes son BJT y MOSFETs. Un tipo BJT (
Bipolar Junction Transistor) frecuentemente tiene menos capacidad de
conmutación ( esto es, que puede conmutar menos corriente) que un
tipo MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor- Field Effect Transistor).
Pero el BJT es generalmente más rápido de conmutación que el
MOSFET..
Lo que se muestra arriba es como conectamos típicamente nuestras
cargas a una salida tipo transistor. Nótese que es un transistor tipo NPN.
Si éste fuera uno tipo PNP, la terminal común estaría conectada a +V y
–V estaría conectada a un extremo de nuestra carga . Nótese que ya
que ésta es una salida de tipo cd, siempre debemos observar la
polaridad apropiada para la salida.
Un extremo de la carga es conectada directamente a V+ como se
muestra arriba.
Abajo se muestra el diagrama de un circuito de una salida tipo NPN.
Al igual con las entradas tipo transistor, hay un opto-acoplador que aisla
el mundo real del circuito interno .
Cuando el diagrama de escalera lo invoca, el circuito interno prende el
opto-acoplador aplicando un pequeño voltaje al lado del LED del optoacoplador. Esto hace que emita luz y la parte receptora del optoacoplador lo verá y permitirá que fluya corriente. Esta pequeña cantidad
de corriente prenderá la base del transistor de salida conectada a la
salida 0500. Por lo tanto, todo lo que este conectado entre la salida
0500 y el común se encenderá.
Cuando el diagrama de escalera le dice a la salida 0500 que se apague,
el LED dejará de emitir luz y por ende el transistor de salida conectado
entre 0500 y COM se apagará.
Otra cosa importante a considerara , es que el transistor típicamente no
puede manejar una carga tan grande como elun relevador. Si la carga a
conmutar excede la de la especificaciones de la salida , se debe
conectar la salida del PLC a un relevador externo. Y conectar la carga
grande al relevador.
En conclusión , un transistor es más rápido, conmuta una pequeña
cantidad de corrient, tiene un tiempo de vida más largo y solo trabaja
con cd. Por otro lado el relevador es lento, puede conmutar una
corriente grande, tiene un tiempo de vida más corto y trabaja tanto cd
como ac. Hay que seleccionar el apropiado de acuerdo a las
necesidades de la aplicación.
7.4 Entradas y salidas Analógicas
Cuando la magnitud que se acopla a la entrada corresponde a una
medida de , por ejemplo, presión, temperatura, velocidad, etc., esto es,
analógica, es necesario disponer de este tipo de módulos de entrada.
Su principio de funcionamiento se basa en la conversión de la señal
analógica a código binario mediante un convertidor análogo digital
(ADC).
La salidas analógicas son usadas en aplicaciones que requieren
capacidad de control de dispositivos de campo que responden a voltajes
continuos o niveles de corriente .
Por ejemplo, una válvula de ajuste de volumen usada en troqueladoras
hidráulicas podría requerir una señal de voltaje entre 0 a 10 volts de cd
para operar la válvula y variar el volumen de aceite a ser bombeado a
los cilindros de la prensa.
Aquí se involucra una conversión de una respuesta binaria del PLC a
una señal analógica de voltaje entre 0 y 10 volts generada por un
convertidor digital análogo ( DAC).