Informe - Escuela de Ingeniería Eléctrica

Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
Adaptación de señales periféricas de salida
generadas por la unidad central de un autómata
programable (PLC) para su aplicación a los
actuadores de un proceso industrial.
Por:
Osvaldo Salas Peraza
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
Julio del 2009
Adaptación de señales periféricas de salida
generadas por la unidad central de un autómata
programable (PLC) para su aplicación a los
actuadores de un proceso industrial.
Por:
Osvaldo Salas Peraza
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________
Ing. Jorge Blanco Alfaro
Profesor Guía
_________________________________
Ing. Juan Ramón Rodríguez Solera
Profesor lector
________________________________
Ing. Max Alberto Ruiz Arrieta
Profesor lector
2
INDICE GENERAL
ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................iv
ÍNDICE DE TABLAS ..................................................................................vi
RESUMEN.....................................................................................................1
CAPÍTULO 1: Introducción.........................................................................2
1.1
Objetivos ...................................................................................................... 4
1.1.1
1.1.2
1.2
Objetivo general..................................................................................................4
Objetivos específicos ..........................................................................................4
Metodología.................................................................................................. 5
CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico ................................................................7
2.1 Arquitectura de un Autómata Programable .......................................................... 7
2.2 Sistemas Analógicos y Digitales........................................................................... 9
2.3 Convertidores Digital-Analógico ........................................................................ 13
2.4 Separación Galvánica.......................................................................................... 15
2.5 Interfaces de Salida ............................................................................................. 18
2.5.1 Salidas Digitales ..................................................................................................20
2.5.2 Salidas Analógicas ...............................................................................................30
2.6 Especificaciones técnicas de algunas interfaces ................................................. 33
CAPÍTULO 3: Interfaces Especiales..........................................................48
CAPÍTULO 4: Conclusiones y Recomendaciones .....................................54
4.1 Conclusiones y Recomendaciones ...................................................................... 54
3
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.2. 1 Señal digital obtenida a partir de una señal analógica .............................11
Figura 2.2. 2 Señales de E/S de la unidad de control.......................................................12
Figura 2.4. 1 Separación galvánica del modelo DK61 de Beck.......................................16
Figura 2.5.1. 1 Interfaz de salida CC-PNP (no aislado) .................................................22
Figura 2.5.1. 2 Interfaz de salida CC-PNP (aislado).......................................................23
Figura 2.5.1. 3 Interfaz de salida CC-NPN (aislado) ......................................................24
Figura 2.5.1. 4 Interfaz de salida por relé........................................................................27
Figura 2.5.1. 5 Interfaz de salida estática de CA ............................................................28
Figura 2.5.2. 1 Rangos de oscilación estándar para salidas analógicas .........................31
Figura 2.5.2. 2 Diagrama de bloques simplificado de un modulo de salida analógico .32
Figura 2.6. 1 Datos de fabricante para el modulo SM 322; DO 32/16, DC 0.5A/24V..34
Figura 2.6. 2 Parámetros estáticos y dinámicos del módulo SM 322; DO 8, DC
24V/0,5A.......................................................................................................................36
Figura 2.6. 3 Parámetros del SM 322; DO 8,DC 24 V/0,5 A; con alarma de diagnóstico
......................................................................................................................................36
Figura 2.6. 4 Mensajes de diagnóstico, causas de fallos y remedios...............................37
Figura 2.6. 5 Datos de fabricante para el modulo SM 322; DO 16, AC 120 V/1 A.......38
Figura 2.6. 6 Datos de fabricante para el modulo SM 322; DO 8, Rel. AC230V .........39
Figura 2.6. 7 Márgenes de salida del módulo SM 332; AO 4,12Bit................................41
Figura 2.6. 8 Representación de los márgenes de salidas analógicas de los módulos de
salidas analógicas (tensiones de salida).....................................................................41
Figura 2.6. 9 Representación de los márgenes de salidas analógicas de los módulos de
salidas analógicas (corriente de salida).....................................................................42
iv
Figura 2.6. 10 Datos de fabricante para el modulo SM-322 AO 4,12 Bit .....................43
Figura 2.6. 11 Datos de fabricante para el modulo FP0-A21-A .....................................45
Figura 2.6. 12 Diagrama de temporización para conversión Digital/Analógica del
modulo FP0-A21-A .....................................................................................................45
Figura 2.6. 13 Valores de entrada y salida (V) del convertidor D/A del modulo FP0A21-A ...........................................................................................................................46
Figura 2.6. 14 Valores de entrada y salida (A) del convertidor D/A del modulo FP0A21-A ...........................................................................................................................46
v
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Características tipo de las salidas de CC PNP y NPN .......................................25
Tabla 2 Ventajas y desventajas de las salidas estáticas de CA con respecto a las salidas
de Relé..........................................................................................................................28
Tabla 3 Características tipo de las salidas de Relé y Estática ........................................29
vi
RESUMEN
El trabajo se realizo con el objeto de investigar los diversos tipos de periferias de salida
según su naturaleza; analógica o digital, y la forma en que interactúan con las señales
emitidas por el procesador central del PLC, para finalmente ejecutar una acción sobre un
elemento en específico. Esta adaptación obedece a la forma en la que se manifiestan la
señales, ya bien sea para procesos con toma de decisiones binarias, o bien donde deban
existir amplias niveles de cuantización (salidas analógicas), donde la cantidad de niveles
esta dada por la máxima resolución del convertidor D/A.
Se utilizaron principalmente como fuentes de información libros de texto y páginas de
Internet, lo que hizo evidente que una de las principales ventajas que tienen los módulos de
salidas actualmente, es como a pesar de que existen gran cantidad de fabricantes a nivel
mundial, todos concuerdan en el modo de funcionamiento de los diferentes tipos existentes.
Es necesario estudiar el entorno físico interno y externo que rodea el proceso a controlar
para la implementación de un PLC, pues permite adquirir, según sea la tendencia a fallos
eléctricos en el sistema propio o bien en la red nacional, autómatas con altos parámetros de
aislamiento galvánico, que permiten proteger la electrónica interna de sobretensiones y
cortocircuitos.
Por otra parte, si la tarea que realiza el PLC es muy especializada, existen periferias con
procesadores inteligentes que tienen la capacidad de resolver por si mismas, sin la
necesidad de esperar la CPU por una orden en específica, descentralizando el
procesamiento de la ALU.
2
CAPÍTULO 1: Introducción
La industrialización del siglo XXI, ha demandado la atención minuciosa en los procesos de
automatización que rigen los diferentes tipos de industrias contemporáneas. Es por ello que
con el conocimiento actual de la microelectrónica, se ha logrado implementar formas de
control innovativas, que han dado pie a sistemas secuénciales programables, que permiten
controlar en tiempo real y de forma precisa cualquier tipo de producción industrial, para así
garantizar la permanencia y competitividad que el mercado demande.
Los autómatas programables (PLC), en general, constan de tres módulos básicos en su
arquitectura: memoria (RAM y ROM), unidad de procesamiento central (CPU) y un
sistema que controla las señales de entrada y salida (I/O). El presente proyecto, describe
como se adaptan las señales generadas por la CPU, luego de haber procesado la
información de las diferentes señales de entrada, para lograr emitir una acción (adaptación
de señales periféricas de salida) que gobierne algún tipo de actuador industrial en
específico.
Solo para mencionar algunas cuantas aplicaciones directas, los autómatas programables,
incursionan en áreas tales como: Automotriz (cadenas de montaje, soldadura, cabinas de
pintura, tornos, fresadoras), plantas químicas y petroquímicas (dosificación, mezclaje,
oleoductos, refinado, tratamiento de aguas residuales), alimentación (envasado,
empaquetado, almacenaje, llenado de botellas), papeleras y madereras (serradoras,
producción de conglomerados y de laminados), producción de energía (centrales eléctricas,
3
turbinas, energía solar), tráfico (regulación y control del tráfico), domótica (iluminación,
sistemas anti robo), estos entre muchos otros mas.
A nivel nacional, Costa Rica no puede escapar a esta realidad industrial, y precisamente ahí
radica la importancia del proyecto, pues al investigar mas profundo la operación en el
entorno con el que se desenvuelve un PLC, es posible ahorrar costos, maximizar la
producción, eliminar el error humano, hacer el proceso mas seguro y confiable, además de
prever una flexibilidad a futuro en el “modus operandi” de este tipo de dispositivos.
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1.1 Objetivos
1.1.1 Objetivo general
Determinar los requerimientos necesarios para adaptar las señales de control
procesadas por la unidad central (CPU) de un autómata para poder ser aplicadas a los
actuadores en un proceso industrial.
1.1.2 Objetivos específicos
•
Diferenciar los tipos de señales (binarias 1/0 / analógicas)
•
Describir los niveles de tensión e intensidad utilizados normalmente.
•
Describir el concepto de modularidad y evaluar sus ventajas
•
Describir el concepto de separación galvánica y sus ventajas.
•
Indagar acerca de módulos específicos para funciones especiales (p.ej.
posicionamiento)
•
Analizar especificaciones técnicas de interfaces de algunos fabricantes.
5
1.2 Metodología
El proyecto, constará de la recolección de información a través de diversas fuentes
bibliográficas (libros, artículos, revistas y recursos de Internet), además de información
recopilada a través de entrevistas a personas afines al área de control automático,
específicamente, con conocimientos profesionales en el área de autómatas programables.
Una vez cumplido el lapso estimado de recolección de información, se procede a elaborar
un documento, donde se explica detalladamente, tanto de forma teórica como práctica,
como la periferia de salida de un autómata, adapta las señales para poder ser aplicadas en
actuadores industriales.
La estructura básica del proceso de acopio de información, se distribuye cronológicamente
como sigue:
•
Búsqueda a través de diversas fuentes de información, tales como libros, sitios
virtuales, revistas, publicaciones y entrevistas.
•
Desarrollar la sección teórica del proyecto, cumpliendo de forma rigurosa los
objetivos específicos planteados inicialmente.
•
Realización de la sección de conclusiones y recomendaciones, con base en la
sección teórica anteriormente mencionada.
•
Se corrige todo error gramatical y de formato, a la vez de crear un borrador final del
trabajo.
•
Finalmente, se desarrolla la presentación del proyecto eléctrico, para ser expuesto
ante el tribunal de evaluación.
6
Al completar cada sección, es necesario realizar un análisis personal de lo expuesto en el
texto de forma específica. Asimismo, es necesario contar con figuras y tablas, de tal forma
que para el lector le sea más fácil la comprensión del texto expuesto. Además es necesario
cumplir a cabalidad los avances según sea el tiempo estipulado en el cronograma, para así
llevar un orden correcto del desarrollo del proyecto.
7
CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico
2.1 Arquitectura de un Autómata Programable
En la década de los setenta, la complejidad y las prestaciones de los sistemas de control se
incrementaron gracias al empleo de circuitos integrados y en particular los de tipo
programable (sistemas basados en microprocesadores). La demanda en la industria de un
sistema económico, robusto, flexible, fácilmente modificable y con mayor facilidad para
involucrar tensiones y corrientes más fuertes que las que tenían los ordenadores de la
época, originó el desarrollo de los autómatas programables industriales, llamados API en
literatura castellana o PLC en literatura anglosajona.
Desde el punto de vista de su papel dentro del sistema de control, se ha dicho que el
autómata programable es la unidad de control, incluyendo total o parcialmente las
interfaces con las señales del proceso. Por otro lado, se trata de un sistema con un hardware
estándar, con capacidad de conexión directa a las señales de campo (niveles de tensión y
corriente industriales, transductores y periféricos electrónicos) y programable en memoria
por el usuario. Al conjunto de señales de reconocimiento y de realimentación que entran en
el autómata se les denomina genéricamente entradas y al conjunto de señales de control
obtenidas salidas, pudiendo ambas ser analógicas o digitales.
El concepto de hardware estándar se complementa con el de modularidad, donde se
entiende que el hardware esta fragmentado en partes interconectables, que permiten
configurar un sistema a la medida de las necesidades. La modularidad de un PLC permite
8
atribuir un problema de malfuncionamiento a un bloque de forma aislada, ya que lo que se
quiere es buscar un sistema débilmente dependiente entre si, a tal punto que si una falla
daña un modulo, esta falla no se propague a los demás aledaños a el. Es por esto que se
encuentra en el mercado autómatas modulares con gran capacidad de entradas y salidas.
La estructura básica de un autómata programable se compone esencialmente de los
siguientes bloques:
•
Unidad de procesamiento central (CPU).
•
Memorias internas y memorias del programa.
•
Interfaces de entrada y salida.
•
Fuente de alimentación.
•
Interfases de comunicación
Una descripción más detallada de la arquitectura de un PLC se da en el anexo 1.
9
2.2 Sistemas Analógicos y Digitales
Las variables físicas que intervienen en un proceso industrial, pueden ser representadas por
variables eléctricas (tensión o corriente) para su evaluación y procesamiento. Sus
magnitudes varían constantemente.
La estabilidad y precisión son factores importantes en los sistemas reales. Estos se ven
afectados por las tolerancias de fabricación de sus componentes, cambios en la temperatura,
cambios en el voltaje de alimentación, rayos cósmicos y ruido creado por otros circuitos,
entre otras cosas.
Un sistema digital es cualquier dispositivo destinado a la generación, transmisión,
procesamiento o almacenamiento de señales digitales, es decir una combinación de
dispositivos diseñados para manipular cantidades físicas o información que estén
representadas en forma digital; es decir, que sólo puedan tomar valores discretos. Los
sistemas digitales pueden ser de dos tipos:
•
Combinacionales: aquellos en los que la salida del sistema sólo depende de la
entrada presente, por lo tanto, no necesita módulos de memoria, ya que la salida no
depende de entradas previas.
•
Sistemas digitales secuénciales: la salida depende de la entrada actual y de las
entradas anteriores. Esta clase de sistemas necesitan elementos de memoria que
recojan la información de la 'historia pasada' del sistema
10
Por otro lado, un sistema es analógico cuando las magnitudes de la señal se representan
mediante variables continuas, esto es señales análogas a las magnitudes que dan lugar a la
generación de esta señal. Un sistema analógico contiene dispositivos que manipulan
cantidades físicas representadas en forma analógica. En un sistema de este tipo, las
cantidades varían sobre un intervalo continuo de valores.
Señales Analógicos
Las señales de tipo análogo son generadas por algún tipo de fenómeno físico y su amplitud
puede variar en función del tiempo. Dichas señales representan entonces magnitudes físicas
del proceso, tales como presión, temperatura, luz, sonido, velocidad, caudal, etc., mediante
una tensión o corriente proporcionales a su valor.
Al variar de forma continua entre un límite inferior y un límite superior, la señal toma todos
los valores posibles en este intervalo. Cuando estos límites coinciden con los límites que
admite un determinado dispositivo, se dice que la señal está normalizada. La ventaja de
trabajar con señales normalizadas es que se aprovecha mejor la relación señal/ruido del
dispositivo.
Las señales normalizadas para interfaces de salida analógicas son de 0 a 10V, 0 a 5V,
4 mA a 20 mA, esta última también llamada señal “live zero”, sirve para detectar una falla
en el cable de control, transductor o sensor. Al ser la corriente mínima normada de 4 mA,
O mA implicaría que esta sucediendo un proceso anómalo en la interfaz.
11
Señales Digitales
Por el contrario, este tipo de señales son de niveles discretos. Trabajan con señales todo o
nada, que solo pueden presentar dos estados o niveles: abierto o cerrado, conduce o no
conduce, mayor o menor, etc. Estos niveles o estados se suelen representar por variables
lógicas o bits, cuyo valor puede ser solo 1 o 0, empleando la notación binaria del álgebra de
Boole.
Las señales de alimentación más utilizados por las interfaces de salida digitales de un PLC
van desde los 15V a 30V, para corrientes de salida que van desde los 100mA a 1A en
alimentación CC (PNP y NPN), pero si se emplea alimentación CA (Relé y estáticas), van
hasta 380V con corrientes de salida de 1A a 2A si se emplean Relés y hasta 250V, con
corrientes de salida de 1A a 2A si se emplean salidas estáticas.
Los ámbitos de interpretación de un cero o uno lógico (voltaje en bajo y alto máximo y
mínimo) son específicos a cada PLC. Uno de los principales atractivos de las señales
digitales, que es su gran inmunidad al ruido.
La siguiente figura muestra el proceso de discretización o digitalización de una señal
analógica.
Figura 2.2. 1 Señal digital obtenida a partir de una señal analógica
12
Los sistemas de control actuales con un cierto grado de complejidad que emplean PLC`s
son casi siempre híbridos, es decir, sistemas que procesan a la vez señales analógicos y
digitales. No obstante, por lo general la unidad de control es totalmente digital y basada en
un microprocesador, que aporta la capacidad de cálculo necesaria para tratar las señales
todo o nada en forma de bits y las señales analógicas numéricamente.
Ya que muchos sensores normalmente empleados suministran señales tipo analógico, las
interfaces de estas señales deben realizar una conversión analógica-numérica, llamada
conversión Analógico-Digital (A/D) para ser procesadas por la unidad central. Por otra
parte, también es necesario contar con interfaces Digital-Analógica (D/A) que sean capaces
de suministrar las señales de salida a partir de los valores numéricos obtenidos por la
unidad de control.
-
Figura 2.2. 2 Señales de E/S de la unidad de control
13
2.3 Convertidores Digital-Analógico
Un convertidor D/A tiene como función convertir información binaria (palabras de “n”
bits), en una tensión o corriente proporcional al valor numérico de la variable digital. Esta
variable puede encontrarse codificada (hexadecimal, BCD, octal), o bien estar en binario
puro; sin embargo lo más usual es encontrarla codificada en código BCD y en
complemento a dos; esta ultima si es el caso que se ocupe la representación con signo más
magnitud.
Los principales parámetros que condicionan la selección de un convertidor son el número
de bits y el tiempo de conversión. El primero determina la resolución de la interfaz. Así, un
CDA de 12 bits posee 4096 intervalos de cuantificación. Así por ejemplo, en una aplicación
de control de flujo existirán 4096 posiciones de apertura de una válvula controladas
directamente por tensiones analógicas, que provienen de palabras digitales.
La velocidad del CDA se denomina tiempo de conversión y el caso más desfavorable se da
cuando todos los bits de la palabra digital de entrada cambian de estado simultáneamente.
En general se establecen tres grupos de parámetros: de entrada, de salida y de transferencia.
Además, el fabricante indicará datos sobre consumo y alimentación, y características
ambientales.
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Características de entrada
La característica más importante es el número de bits, que determina la resolución del
circuito. Ésta se define como el menor cambio en la entrada que produce un cambio
apreciable en la salida. En la práctica es el menor cambio analógico en la salida cuando
cambia el bit menos significativo de la palabra en la entrada.
El fabricante suele además proporcionar el código de la entrada (BCD, binario con
complemento a dos, etc.), el formato de los datos (paralelo o serie), tensiones de referencia,
niveles de tensión alto y bajo, tiempo de permanencia de datos, etc.
Características de salida
Se destacan el número de canales (normalmente uno) y el tipo de señal (de tensión o de
corriente). El valor de la tensión o corriente dependen de la tensión de referencia.
Características de transferencia
Son las relativas a la exactitud y la velocidad. Las principales fuentes de error son las
pérdidas térmicas, la precisión con que se obtienen las resistencias integradas y las
tensiones y corrientes de polarización y de “offset” de los amplificadores operacionales.
Esto hace que el fabricante suministre errores de temperatura, ganancia y no linealidad.
La velocidad está limitada por el “slew rate” (velocidad máxima de cambio de la salida) y
el “setting time” (tiempo de asentamiento) de los amplificadores operacionales; suele
proporcionarse el tiempo de establecimiento de la salida.
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Los convertidores D/A pueden ser Unipolares (sin signo) o con signo, como también
pueden clasificarse por contar con resistencias ponderadas y en escalera.
Los unipolares, tienen entradas cuya palabra es sin bit de signo, por lo que la salida
analógica varía entre un máximo y cero, mientras que los convertidores con signo aceptan
como entrada una palabra cuya bit más significativo indica el signo, resultando como salida
una tensión analógica que fluctúa entre un voltaje máximo y mínimo
2.4 Separación Galvánica
Una característica a valorar tanto para las interfaces de entrada como de salida es la
separación galvánica, la cual actúa como un medio de protección entre los circuitos internos
del autómata y su conexión con los circuitos externos.
La separación galvánica consiste en aislar funcionalmente dos o más secciones de un
sistema eléctrico para que no exista un movimiento de corriente fluyendo directamente
entre dos secciones contiguas. De tal manera que si se presenta un fallo eléctrico
(sobretensión o cortocircuito), estos no aparezcan o no causen problemas al lado secundario
de la conexión galvánica, la cual comunica el exterior del circuito.
Para realizar esta separación, se utilizan capacitancias, relés, aisladores ópticos, dispositivos
sonoros y mecánicos, o bien por transformadores de aislamiento intrínseco.
En el caso particular de los PLC, el enfoque de separación galvánica se orienta al empleo
de optoacoples en las interfaces tanto de entrada como de salida. Un optoacoplador es un
componente formado por la unión de al menos un emisor (diodo LED) y un fotodetector
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(fototransistor u otro) acoplados a través de un medio conductor de luz, los cuales pueden
ser encapsulados o de tipo discreto.
Esta separación galvánica proporciona enormes ventajas desde el punto de vista de
inmunidad a ruido eléctrico y robustez ante las sobretensiones y perturbaciones que suelen
estar sometidas las señales de entrada y salida. En la práctica, la mencionada separación
exige tener fuentes de alimentación separadas para la lógica interna del autómata y para las
E/S. Dichas fuentes de alimentación pueden estar contenidas ambas dentro del propio
autómata. Puede también utilizarse una alimentación externa para alimentar las E/S o
incluso alimentaciones independientes para entradas y salidas.
La siguiente figura muestra la utilización de un optoacople como medio de aislamiento para
el modelo DK61 de la marca Beck.
Figura 2.4. 1 Separación galvánica del modelo DK61 de Beck
La separación galvánica protege el lado lógico (sección del CPU) del PLC de picos de
voltajes debido a transitorios que pueden ocurrir entre las conexiones de cada canal con el
sistema de tierra.
17
El parámetro dado por el fabricante, “isolation voltage”, oscila entre 1000V y 1500V RMS
en el modelo DK61, definiendo la capacidad del modulo de soportar una falla por un
voltaje excesivo en el campo de las terminales. Si el modulo de forma repentina excede al
“isolation voltage”, la circuitería interna se dañará, sin embargo el bus del PLC estará
protegido. Los módulos que cuentan con este tipo de aislamiento, que les permite proteger
el bus central, son conocidos como “flotantes” y los demás como “no flotantes”.
Las hojas de fabricante en general, comúnmente hablan de dos tipos de aislamiento
galvánico, el que existe entre cada canal con el sistema de tierra y el existente entre canal y
canal. Por lo que también existe un “isolation voltage” asociado a esta característica, que
para el DK61 ronda los 1000V RMS.
Si el modulo de salida, no cuenta con separación galvánica, existe marcas tales como
“Elscolab”, la cual ofrece una solución concreta. Cuenta con una serie de dispositivos
llamados “Knick”, los cuales cuentan con separación galvánica externa a la interfaz de
salida como tal. No ocupan mucho espacio, son fáciles de cablear, configuración mediante
“DIP switches”, adaptables para las señales estándar (0v a 10v, 0mA a 20mA, 4mA a
20mA), un MTBF de 440 años, permite la transformación de señales si se requiere, por
ejemplo si un actuador necesita una salida de voltaje y se tiene corriente, además si se
necesita transformar una señal “live zero” en una señal “dead zero” o bien cuando se
necesita la combinación de otros tipos de señales estándar.
18
2.5 Interfaces de Salida
Las interfaces de salida y entrada establecen la comunicación entre la unidad central y el
proceso, filtrando, adaptando y codificando de forma comprensible para dicha unidad las
señales procedentes de los elementos de entrada y decodificando y amplificando las señales
generadas durante la ejecución del programa antes de enviarlas a los elementos de salida.
Las interfaces suelen clasificarse por:
•
El tipo de señales (digitales todo/nada o analógicas)
•
La tensión de alimentación (CC-estáticas 24/110Vcc, CC-PNP y CC-NPN, CA
60/110/220Vca, salidas por relé libre de tensión)
•
El aislamiento (con separación galvánica-optoacoples, con acoplamiento directo),
•
Forma de comunicación con la unidad central (comunicación serie o comunicación
paralelo),
•
La ubicación (local y remota).
En los autómatas clásicos, el tipo de interfaces disponibles suele ser más limitado, siendo
las salidas mas frecuentes las siguientes:
•
Salidas:
-Por relé.
-Estáticas por triac.
-Colector abierto.
-Analógicas
19
Las interfaces de salida de tipo digital (NPN, PNP, relé y estáticas) son las que se conectan
al PLC con los accionamientos del proceso, tales como electroválvulas, etc. Una
característica común a todos ellos suele ser que disponen de un buffer o registro, donde el
procesador escribe una sola vez por ciclo el valor 1 o 0 de la señal según corresponda tras
la ejecución del programa. Así, el registro (imagen de proceso de las salidas) constituye el
bloque lógico de enlace entre la lógica interna y la interfaz. Además de la anterior
clasificación, se pueden subdividir según la característica de la interfaz de salida:
•
Interfaces de salida estáticas: emplean algún tipo de semiconductor para conmutar
la salida. Según la naturaleza de la tensión de salida pueden clasificarse en:
-Corriente continua: el conmutador de salida es un transistor a colector abierto con
dos variantes posibles, según la polaridad:
-Salida PNP o lógica positiva.
-Salida NPN o lógica negativa.
-Para corriente alterna: el conmutador de salida suele ser un triac o un par de
tiristores en antiparalelo.
•
Interfaces de salida por relé: este tipo de interfaz es valido tanto para CC como
para AC y proporciona siempre un aislamiento galvánico entre la salida y la lógica
interna. Es el tipo de salida mas empleado en los PLC.
Otra clasificación comúnmente utilizada, es por si utilizan separación galvánica, y por ello
se dividen en:
20
-Salidas acopladas directamente
-Salidas con aislamiento galvánico.
Es poco frecuente utilizar salidas sin aislamiento galvánico, aunque en este caso se emplean
algunas veces salidas a colector abierto no aisladas que accionan placas de relés externas,
que se sitúan muy próximas al chasis del autómata. Este tipo de montaje tiene la ventaja
que se pueden cambiar de un relé a otro fácilmente. El conjunto es prácticamente idéntico
a una interfaz de salida por relés.
2.5.1 Salidas Digitales
Salidas de CC PNP
La característica primordial de las salidas CC PNP es que trabajan con lógica positiva. Esto
quiere decir que cada salida suministra en estado 1 una tensión positiva respecto al extremo
común de las cargas. La configuración típica de cada salida es la de un transistor PNP a
colector abierto, con protecciones de inversión de polaridad (D2) y diodo de inversa (D1)
para cargas inductivas. Admiten, por tanto, como carga: bobinas de relés, solenoides,
contadores de impulsos de tipo electromagnético o electrónico, etc. Pueden disponer de
aislamiento galvánico o no, aunque en este ultimo caso no suelen emplearse para gobernar
elementos de campo, sino para atacar otros bloques lógicos situados en el propio chasis o
muy próximos a el.
21
La conexión de las cargas y la fuente de alimentación, debe efectuarse como sigue:
•
Se deben unir por un extremo todas las cargas. Este extremo se conoce como
común de cargas y debe conectarse al polo negativo de la fuente de alimentación
de E/S.
•
El otro extremo de cada una de las cargas se conecta a los distintos terminales de
salida de la interfaz (S1,S2,…,Sn).
•
Internamente, en la interfaz varios circuitos de salida comparten dos extremos
comunes, los polos positivo y negativo de la fuente de alimentación. Cada salida
dispone además de un terminal individual (S1,S2,…,Sn) conectado al colector, que
en estado 1 suministra una tensión positiva respecto al común de las cargas.
En caso de no existir aislamiento galvánico, se sigue empleando una fuente externa para las
E/S, pero en este caso el polo negativo de dicha fuente queda conectada a la línea de 0V de
la lógica interna, con el consiguiente riesgo de acoplamiento de ruido electromagnético. Las
características más destacables de las salidas estáticas a colector abierto, comparadas con
las de relé son:
•
Mayor velocidad de respuesta, permitiendo actuar sobre contadores rápidos u
otros elementos electrónicos.
•
Ausencia de desgastes mecánicos.
•
Menor volumen ocupado.
•
Permiten protección de cortocircuito a base de bloquear el transistor de salida
(salidas cortocircuitables).
22
•
En Caso de no estar protegidas contra cortocircuito, son más sensibles a puntas
de corriente en la carga.
•
Menor capacidad de carga de la salida
•
En caso de no existir aislamiento galvánico, requieren de una fuente de
alimentación mejor filtrada y más estabilizada que los relés.
•
Caída de tensión en el transistor de salida mayor que la que produce el contacto
de un relé.
•
Presentan una pequeña corriente de fuga cuando la salida esta en estado 0
(desactivada).
Para facilitar el mantenimiento cada salida suele disponer de un LED de indicación que
señala cuando esta activada. La conexión tipo aislado y no aislado de la interfaz de salida
PNP se muestra como sigue en las figuras 2.5 y 2.6.
Figura 2.5.1. 1 Interfaz de salida CC-PNP (no aislado)
23
Figura 2.5.1. 2 Interfaz de salida CC-PNP (aislado)
Salidas de CC NPN
Las interfaces con salida NPN tienen características prácticamente idénticas a las indicadas
en el apartado anterior para el tipo PNP, salvo que emplean lógica negativa, es decir, cada
salida suministra en estado 1 una tensión negativa respecto al extremo común de las cargas.
La salida consiste en un transistor NPN a colector abierto, con las correspondientes
protecciones de inversión de polaridad de alimentación (D2) y diodo de supresión de
corriente inversa para cargas inductivas (D1). Las salidas NPN pueden también construirse
con aislamiento galvánico o no. La conexión de las cargas y la fuente de alimentación es
distinta de la de las salidas PNP y debe efectuarse como sigue:
•
Se deben unir por un extremo todas las cargas. Este extremo (común de cargas)
debe conectarse al polo positivo de la fuente de alimentación E/S.
24
•
El otro extremo de cada una de las cargas se conecta a los distintos terminales de
salida de la interfaz (S1, S2,…, Sn).
•
Internamente, en la interfaz, varios circuitos de salida comparten dos extremos
comunes, que van conectados a los polos positivo y negativo de la fuente de
alimentación. Además, cada salida dispone de un terminal propio (S1, S2,…, Sn),
conectado al colector del transistor correspondiente.
Las ventajas e inconvenientes de este tipo de salidas con respecto a las de relé son las
mismas que las comentadas en el apartado anterior (CC PNP). La conexión tipo aislado de
la interfaz de salida NPN se muestra como sigue en las figura 2.7.
Figura 2.5.1. 3 Interfaz de salida CC-NPN (aislado)
Las principales características de este tipo de salidas (PNP y NPN) según la polaridad del
transistor se resumen en la tabla 2.1
25
Tabla 1 Características tipo de las salidas de CC PNP y NPN
Características
Numero de salidas/modulo
Separación Galvánica
Terminal Común
Tipo
Tensión de alimentación
CC tipo PNP o NPN
4, 8, 16 o 12
SI (optoacoplador) o NO
Grupos de 4 u 8 entradas
Rizado tolerable
PNP
15 a 30 Vcc
5 a 30Vcc
10%
Tensión de salida
mas respuesta a común
Corriente de Salida
Corriente Residual (a 0)
Caída de tensión (a 1)
Tiempo de respuesta
Estado 0 a 1
Estado 1 a 0
Frecuencia Máxima de trabajo
Carga Ohmica
100mA a 1A
0.1mA a 0.5mA
0.2V a 1.5V
NPN
15 a 30 Vcc
5 a 30Vcc
10%
menos respuesta a
común
100mA a 1A
0.1mA a 0.5mA
0.2V a 1.5V
100 a 200 us
200 a 500 us
100 a 200 us
200 a 500 us
10 a 100Hz
2 a 5 Hz
Según tipos pueden
incorporarla
10 a 100Hz
2 a 5 Hz
Protección cortocircuito
Protección de inversión de
polaridad alimentación
En general SI, mediante
diodo
LED indicación de estado
En general SI
Aislamiento entre canales
Aislamiento vs. bus
Aislamiento vs. red
Temperatura de trabajo
Típico 1500VCA (solo
optoacopladores)
Típico 1500VCA (solo
optoacopladores)
Típico 1500VCA
5 a 55 ºC
26
Salidas por Relé
Este tipo de interfaz contiene un relé por cada salida ( K1 , K 2 ,..., K n ). La bobina de dicho
relé esta gobernada por el sistema lógico del PLC y sus contactos se encuentran
disponibles en bornes externos, constituyendo las salidas propiamente dichas.
Por lo general, cada salida consta de un solo contacto normalmente abierto, o a lo sumo de
un contacto conmutado. Es frecuente que varios contactos compartan un terminal común
(COM).
En algunos casos, el contacto de salida esta protegido mediante un circuito RC o un varistor
(MOV), para evitar que las perturbaciones que puedan producirse en el circuito exterior
afecten a la lógica interna. Cada salida suele llevar también un LED de señalización, y en
algunos casos, se dispone de algún sistema de conexión manual. Todo ello facilita
enormemente las tareas de puesta en marcha y mantenimiento del equipo. Las salidas por
relé proporcionan un aislamiento galvánico entre los elementos de maniobra externos y la
lógica interna del PLC.
La fuente de alimentación para los elementos de maniobra ligados a los contactos de los
relés debería ser totalmente independiente de la del PLC. Las exigencias de calidad de
dicha fuente son mínimas, admitiendo amplias tolerancias de tensión y rizado. No obstante,
si se alimenta el autómata (220 Vca o 110Vca) del mismo transformador de mando que la
maniobra y dada la proximidad de los contactos y la lógica interna en la interfaz, es
27
conveniente colocar circuitos RC a las bobinas de los contactores externos para evitar
perturbaciones.
La figura 2.5.1.4 muestra la interfaz de salida por relé.
Figura 2.5.1. 4 Interfaz de salida por relé
Salidas estáticas de CA
Las interfaces de salidas estáticas para corriente alterna emplean como conmutador de
salida un triac, un par de tiristores en antiparalelo o un puente rectificador cortocircuitado
por un tiristor. Todos ellos suelen disponer de aislamiento galvánico y de un LED para
indicación de su estado. En algunos casos disponen también de algún circuito de protección
de cortocircuito, que bloquea la salida en caso de que la carga absorba más corriente de la
permitida.
Si se toma como base de comparación las salidas por relé, se tiene como ventajas y
desventajas con respecto a las de relés la tabla 2.2.
28
Tabla 2 Ventajas y desventajas de las salidas estáticas de CA con respecto a las salidas
de Relé.
Ventajas
Mayor rapidez de conmutación
Ausencia de desgaste mecánico,
permitiendo accionar cargas que realizan
un elevado numero de maniobras/hora
Cierre al paso por cero de tensión y
apertura al paso por cero de la corriente,
eliminando al máximo las perturbaciones
en la línea.
Tamaño mas reducido
Desventajas
Más sensibles a sobrecargas, con difícil
protección.
Mas sensibles a perturbaciones en la
alimentación (ruidos y fenómenos
parásitos).
Caída de tensión en estado de paso del
orden de 2V.
Ligeras corriente de fugas en estado de
bloqueo.
Mayor disipación de potencia y por tanto
calentamiento.
Aptas solo para ciertos márgenes de tensión
Menor flexibilidad para mezclar varias
tensiones de mando.
La siguiente figura muestra la conexión interna de la interfaz de salida estática de CA.
Figura 2.5.1. 5 Interfaz de salida estática de CA
29
Las características básicas de las salidas por relé y estáticas de CA se observan en la
siguiente tabla:
Tabla 3 Características tipo de las salidas de Relé y Estática
Características
Numero de salidas/modulo
Separación Galvánica
Terminal Común
CA tipos Relé y Estática
4a8
Si (optoacoplador)
Grupos de 4 u 8 salidas
Tipo
Tensión de alimentación
Sobretensión Tolerable
Conexión a paso por cero
Relé
Hasta 380 Vca
10%
NO
Estática
Hasta 250 Vca
10%
SI
Corriente de Salida
1 a 2 A carga R
10 A (40ms max.)
permite protección de
cortocircuito.
NO
NO
1Aa2A
Intensidad Transitoria
Corriente Residual (a 0)
Caída de tensión (a 1)
Tiempo de respuesta
Estado 0 a 1
Estado 1 a 0
Frecuencia Máxima de trabajo
Carga Ohmica
Carga Inductiva
Protección cortocircuito
LED indicación de estado
Aislamiento entre canales
Aislamiento vs. bus
Temperatura de trabajo
20A (200ms max)
2mA a 5mA
3V a 5V
Típico 15-20ms
Típico 15-20ms
Max. 10ms
Max 10ms
5 a 15Hz
1 a 5 Hz
Según el tipo pueden
incorporarla
En general SI
10 a 25Hz
10 a 25 Hz
Típico 1500VCA (solo
optoacopladores)
Típico 1500VCA (solo
optoacopladores)
5 a 55 ºC
30
La tabla anterior muestra la necesidad de tipos distintos de salidas estáticas según la tensión
de mando y las corrientes de fuga (las salidas con corriente de fuga en estado 0 no son aptas
para accionar lámparas de neón o pequeños relés, mientras que en otras aplicaciones es
preciso una alta corriente en estado 1). De aquí la importancia de escoger una interfaz
adecuada.
2.5.2 Salidas Analógicas
Los módulos de salidas analógicas, tienen como función principal, permitir al PLC trabajar
con un rango de valores numéricos de salida (provenientes del programa de control de la
CPU) que produzcan señales de corriente y voltaje con un rango de variación necesario
para operar un dispositivo conectado a un canal específico.
Cada
modulo
consta
normalmente de
varios canales de
salida,
(típicamente
4,8,16,32,64,128). En las hojas de especificaciones del fabricante se encuentra los rangos
de corriente y voltaje en que puede variar la señal del modulo, para un modo de
funcionamiento unipolar (oscilación positiva únicamente) o bipolar (oscilación positiva y
negativa de forma simultanea).
El software de los autómatas programables, permite controlar valores máximos y mínimos
de ciertas variables del proceso, realizar cálculos aritméticos o bien control PID, para
finalmente ser aplicados a servomotores, servoválvulas, controles de temperatura, etc.
La lista de las señales de operación comúnmente utilizadas para los módulos de salida
analógicos, se presenta en la siguiente figura.
31
Figura 2.5.2. 1 Rangos de oscilación estándar para salidas analógicas
En algunos módulos, la selección del rango de operación puede ser mixta, es decir
combinación de dos o mas rangos, según sea los requerimientos de la aplicación.
La traducción de la señal emitida por el CPU, de origen digital, a una analógica, se logra a
través de un convertidor digital-analógico. Una vez que el PLC se encuentre en operación,
la información digital es enviada al modulo de salida, utilizando una instrucción de “salida
analógica”, seleccionando el modulo por su dirección. La información es enviada a los
buffers de memoria internos de cada canal de salida; luego la información de cada canal es
enviada “una a la vez” hacia el modulo de conversión digital-analógico, el cual finalmente
envía la señal con el voltaje o corriente apropiada hacia los actuadores. El tiempo que el
modulo requiere para mover los datos que se encuentran en el buffer hacia el convertidor se
conoce como “module update time”. A diferencia del modulo de entrada analógica, la
actualización del modulo de salida, es por lo general sincronizada con el reloj de búsqueda
de la CPU, de esta forma, no se envían datos a los buffers hasta que la petición de escritura
sea hecho por el programa de control. El siguiente diagrama de bloques muestra el
funcionamiento simplificado de un módulo de salida analógico.
32
Figura 2.5.2. 2 Diagrama de bloques simplificado de un modulo de salida analógico
La etapa de amplificación, se encarga de elevar el voltaje o corriente necesaria para los
actuadores, durante este proceso es común, que las salidas a corriente cuenten con un filtro,
de modo que la corriente sea "suavizada" y no produzca un exceso que sea perceptible a
equipo de actuación sensitivo.
Las especificaciones mas importantes en las hojas de fabricante para los módulos de salida
analógicos, son:
•
Rango de salida voltaje/corriente
•
Protección contra un sobrevoltaje o una sobrecarga (en caso de que el cableado se
cortocircuite)
•
Corriente de salida, el tiempo de asentamiento (tiempo en que tarda la señal en
estabilizar el sistema basado en el ultimo estado de las salidas)
33
•
Resolución digital-analógica (el mas pequeño incremento unitario de corriente o
voltaje que produce un cambio en las salidas y depende de la cantidad de bits
empleados para representar el rango de la señal de salida).
2.6 Especificaciones técnicas de algunas interfaces
PLC SM-322 de Siemens
El PLC SM-322, es fabricado por la empresa Siemens, y se encuentran disponibles
módulos según la cantidad de canales a implementar: 8, 16, 32 y 64 son los comúnmente
disponibles. Las aplicaciones más utilizadas para este módulo van desde la conexión a
válvulas solenoidales, contactores de CC, motores de baja potencia, lámparas y
arrancadores de motor. Cuenta con un filtro RC de 300 Ω/0.1 µF (para el modulo de relé
6ES7 322-1HF20) que permite reducir el arco producido en los contactos cuando existe una
carga inductiva muy grande, lo cual incrementa la vida útil de los contactos hasta 200 000
ciclos de operación para un activador de motor NEMA tipo 5.
Según sea el tipo de salida requerida (analógica o digital), el SM-322 soporta los siguientes
niveles de voltaje: 24V DC, para una corriente de 0.5A por cada canal, 48V-125V DC,
120/230V AC.
34
Módulos de salida digitales SM-322
Módulos de salida DC
Los módulos de 32 y 16 salidas DC 24V/0.5A, cuentan con una particularidad, pues al
aplicar la alimentación de 24 V por cierre de un contacto mecánico, las salidas están
durante aprox. 50 µs a”señal 1”. Esto es necesario considerarlo si el módulo de salidas
digitales SM 322, se usa asociado a contadores rápidos. La siguiente figura, sintetiza la
información brindada para estos módulos (32/16 salidas):
Figura 2.6. 1 Datos de fabricante para el modulo SM 322; DO 32/16, DC 0.5A/24V
35
La única diferencia entre el modulo de 32 y el de 16 salidas, radica en el consumo y
perdidas, pues el de 16 canales consume 80mA de bus posterior y 120mA de tensión de
carga, con pérdidas de 4.9W.
El modulo de 8 salidas SM 322; DO 8, DC 24V/0.5A; con alarma de diagnostico, se
caracteriza por tener: intensidad de salida 0.5A, tensión de carga nominal DC 24V, salida
con o sin diodo serie (mando redundante de la carga), diagnostico y alarma parametrizable,
señalización de fallo colectivo y de estado y fallo especifico.
Las diferencias con respecto a los módulos de 16 y 32 canales, con respecto al de 8 salidas,
radican en que no posee separación galvánica entre canales, el consumo de bus posterior y
de tensión de carga es de 70mA y 90mA respectivamente, pérdidas de 5W, umbral de
conmutación de 0.75A a 1.5A, frecuencia de conmutación para carga inductiva máxima de
2Hz y para la conexión en paralelo de dos canales, donde se especifica que “cuando se
utilizan salidas con diodo serie; se debe tener el mismo potencial de referencia”. Además
se incorpora la característica de retardo de salida bajo carga, donde se establece que el
tiempo de “0” a “1” es de 180µs y de “1” a “0” de 245µs.
La parametrización de las alarmas se realiza con STEP7 (software standard para configurar
y programar los sistemas de automatización SIMATIC), o bien con SFC 55 (uno de los
cinco lenguajes de programación grafico definidos por el estándar IEC 61131-3). La
parametrización es por separado para cada salida. El fabricante especifica los parámetros
según sean estáticos o dinámicos, sus principales características se muestran a
continuación.
36
Figura 2.6. 2 Parámetros estáticos y dinámicos del módulo SM 322; DO 8, DC
24V/0,5A
La siguientes dos figuras, muestra los diferentes tipos de parámetros y mensajes de
diagnóstico, causas de fallo, condiciones marginales y remedios ante la falla de forma
respectiva para el modulo SM 322; DO 8_DC 24V/0,5A.
Figura 2.6. 3 Parámetros del SM 322; DO 8, DC 24 V/0,5 A; con alarma de
diagnóstico
37
Figura 2.6. 4 Mensajes de diagnóstico, causas de fallos y remedios
El esquema de conexión del módulo de salidas digitales SM 322; DO 8_DC 24V/0,5A; con
alarma de diagnóstico, se detalla gráficamente en el Anexo 2.
Módulos de salida AC
El modulo SM 322; DO 16, AC 120 V/1 A, es adecuado para bobinas, contactores,
arrancadores de motores, pequeños motores y lámparas de señalización de corriente alterna.
Tiene 16 salidas protegidas con separación galvánica entre canales en grupos de ocho, cada
una con intensidad de salida de 1A. Su tensión de carga nominal es de 120VAC.
38
También existe la presentación de este modulo con el mismo suministro de voltaje pero con
8 salidas, asociada a una corriente de salida de 1A, en donde cambia la cantidad de
consumo de bus posterior máximo a 100mA y una tensión de carga máxima de 2mA.
Además la tensión admisible difiere, pues entre la memoria interna y las salidas es de
230VAC y entre salidas de diferentes grupos es de 500VAC; sin embargo las demás
características permanecen igual al modulo de 16 salidas AC. La siguiente figura, sintetiza
la información brindada para estos módulos (16/8 salidas), con excepción de los detalles
antes expuestos.
Figura 2.6. 5 Datos de fabricante para el modulo SM 322; DO 16, AC 120 V/1 A
Módulos de salida por Relé
39
Módulos de salida por Relé
El módulo SM 322; DO 16, Rel. AC 120 V, se distingue por tener 16 salidas protegidas con
separación galvánica entre canales en grupos de ocho, tensión de carga DC 24 V a 120 V,
AC 48 V a 120 V. Tras el corte de la tensión de alimentación, el condensador adherido al
relé conserva su energía durante aprox. 200 ms permitiendo al relé permanecer mandado
por el programa durante un corto momento.
La siguiente figura, sintetiza la información brindada para este módulo:
Figura 2.6. 6 Datos de fabricante para el modulo SM 322; DO 8, Rel. AC230V
40
Cabe destacar que entre mayor sea la tensión aplicada, ya bien sea en DC o en AC, y mayor
sea la corriente de salida proporcionada, el tiempo de vida de los contactos disminuye
drásticamente, por eso se emplean elementos de protección externos.
También se encuentra disponibles módulos de salida por relé de 8 salidas con alimentación
de 230V, los cuales presentan mayores números de maniobras por ciclo, admite 400VAC
de potencial entre salidas de diferentes grupos y tiene un consumo máximo de bus posterior
de 40mA y de tensión de alimentación “L+” máximo de 110mA, con perdidas de modulo
de 2.2W.
Módulo de salida analógico SM-322 AO 4,12 Bit
El módulo de salidas analógicas SM 332; AO 4,12 Bit presenta 4 salidas repartidas en 4
grupos de canales, resolución de 12 bits, alarma de diagnóstico parametrizable, separación
galvánica con relación a la CPU y a la tensión de carga, vigila la “rotura de hilo” y de
cortocircuito en las salidas de corriente y voltaje respectivamente. Si durante el
funcionamiento del módulo de salidas analógicas SM 332; AO 2,12Bit se modifican
(mediante STEP7) los márgenes de salida, en las salidas se pueden presentar valores
intermedios. Dichos márgenes de salida varían como se muestra en la figura 2.6.7. La
explicación de los márgenes de salidas para corriente y voltaje se dan en las figuras 2.6.8 y
2.6.9.
41
Figura 2.6. 7 Márgenes de salida del módulo SM 332; AO 4,12Bit
Figura 2.6. 8 Representación de los márgenes de salidas analógicas de los módulos de
salidas analógicas (tensiones de salida)
42
Figura 2.6. 9 Representación de los márgenes de salidas analógicas de los módulos de
salidas analógicas (corriente de salida).
Las figuras anteriores muestran la dependencia entre la exactitud de cada margen de salida,
(sin importar sea de voltaje o corriente), con respecto a su condición de operación de
rebase, desbordamiento y nominal para cada modulo de salida analógico.
El SM-322 AO 4,12 Bit, permite por ejemplo, que para una selección de margen de 4 a 20
mA, un valor de 20.005mA sea interpretado como condición de Rebase, lo cual implica que
evidentemente el rango ha sido excedido y por lo tanto pondrá en la salida el ultimo valor
registrado. La precisión de 3 decimales para esta condición, permite que esta periferia sea
empleada en procesos donde la exactitud minuciosa para el control de un proceso sea el
factor clave de desempeño.
43
La siguiente figura muestra características eléctricas y de dimensionamiento del modulo
SM-322 AO 4,12 Bit.
Figura 2.6. 10 Datos de fabricante para el modulo SM-322 AO 4,12 Bit
44
PLC FP0 de Panasonic
El PLC FP0, es fabricado por la empresa Panasonic, y ofrece como aplicaciones más
comunes, su empleo en la industria de maquinaria de empaquetado y procesamiento de
alimentos, posicionamiento de ejes para cortado de madera y maquinas moldeadoras de
metal, monitorear el nivel de agua, control de sistemas de luminarias y en domótica para la
lógica de activación de diversos dispositivos de casas inteligentes.
Dependiendo de la subfamilia, las periferias de salida para el modelo FP0 se pueden
encontrar según su configuración:
•
Relés: como los modelos FP0-C10CRS-A y el FP0-C14RS-A de 4 y 6 salidas
respectivamente.
•
PNP: como el FP0-C16CP-A y el FP0-C32CP-A de 8 y 16 salidas
respectivamente.
•
NPN: como el FP0-C16CT-A y el FP0-C32T-A de 8 y 16 salidas respectivamente.
•
Analógicos: como el FP0-A04I y el FP0-A21-A de 4 y 16 salidas respectivamente.
La figura 2.6.11, se refiere al modulo FP0-A21-A de salida analógico, donde se destaca su
rango de salida de voltaje de -10V a 10V (0-20mA) con resolución 1/4000 y tiempo de
conversión digital analógico 500 µs . Además se indica que entre cada terminal de salida y
el circuito interno del FP0 existe aislamiento a través de una optoacople, sin embargo se
utiliza el aislamiento mediante convertidores DC/DC para la comunicación entre terminales
de salida y fuente de poder externa y terminales de entrada analógicas (realimentación).
45
Figura 2.6. 11 Datos de fabricante para el modulo FP0-A21-A
El tiempo que se muestra en la figura siguiente, es el requerido para que la información sea
convertida de digital a analógica y se vea reflejada en la salida. El tiempo de refrescamiento
entre conversión D/A de canales, se da como 1ms por el número de unidades de expansión,
es decir por la cantidad de módulos de salida empleados simultáneamente.
Figura 2.6. 12 Diagrama de temporización para conversión Digital/Analógica del
modulo FP0-A21-A
46
Las figuras 2.6.13 y 2.6.14, muestran como al excederse los valores de entrada al
convertidor D/A, estos pondrán en la salida el valor constante inmediato anterior a esta
condición de rebase.
Figura 2.6. 13 Valores de entrada y salida (V) del convertidor D/A del modulo FP0A21-A
Figura 2.6. 14 Valores de entrada y salida (A) del convertidor D/A del modulo FP0A21-A
47
Dentro del diagrama de bloques del modulo de salida, se incorpora un amplificador de
voltaje y de corriente conectado en paralelo, los cuales son conectados en serie con el
convertidor D/A. El valor digital que es enviado al convertidor para lograr un valor de
salida de 0V es diferente del de entrada para lograr una salida de corriente de 0mA. Como
resultado, si el voltaje de salida llega a ser 0V, saldrán 10mA por la terminal de salida; y
consecuentemente, si la corriente de salida llega ser 0mA, saldrán -10V de la terminal de
salida.
48
CAPÍTULO 3: Interfaces Especiales
A diferencia de las entradas y salidas estándar, aptas para conectar el autómata con señales
genéricas digitales o analógicas, las interfaces específicas permiten la conexión con
elementos o procesos particulares de la planta, realizando funciones que van desde la
lectura directa de termopares hasta la presentación de sinópticos (informes impresos
personalizados en los que se resume el estado del proceso a lo largo de un periodo de
tiempo determinado) y control SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition),
pasando por regulación, posicionamiento de ejes, etc.
Estas interfaces específicas están disponibles para autómatas modulares de gamas media y
alta,
maquinas que exigen por la amplitud del campo de aplicaciones una mayor
especialización que los micro y mini autómatas.
Aunque a todas estas interfaces se les denomina, en general, específicas por lo concreto de
la función que realizan, se pueden distinguir entre ellas tres grupos bien diferenciados:
Entradas/salidas especiales, Entradas/salidas inteligentes y Procesadores periféricos
inteligentes.
Entradas/salidas especiales
Se caracterizan por entregar o recibir señales particulares, bien por su forma, bien por su
aplicación, pero sin incluir en ningún caso control sobre variables de planta, sino solo
tratamiento de la señal para hacerla inteligible a la CPU (interfaces de entrada), o a la
planta (interfaces de salida). Este tratamiento esta predeterminado y no es modificable por
49
el usuario, que únicamente puede actuar, por instrucciones de programa, mediante
microinterruptores o microselectores externos, sobre los modos de trabajo y sobre algunos
parámetros (escasos) de la tarjeta.
La selección de los rangos de entrada/salida y de los modos de funcionamiento se realiza
mediante microinterruptores integrados en el módulo, o eventualmente, mediante
parámetros enviados por programa, limitándose la comunicación con la CPU desde este
momento al intercambio de datos de entrada/salida. Si se ha de decidir alguna acción
respecto a estos datos, fuera de las evidentes de adaptación, filtrado y tratamiento
especifico, la responsabilidad corresponde siempre a la CPU.
Estas interfaces están disponibles sobre tarjetas o módulos de expansión para su conexión
en autómatas modulares, aunque dadas sus ventajas y facilidad de uso las más frecuentes
comienzan también a aparecer sobre autómatas compactos. Actualmente la mas
comúnmente empleadas son las:
•
Entradas/salidas multiplexadas (por ejemplo displays de LED en código BCD
multiplexado).
•
Detectores de umbral analógico: realizan una lectura de señal analógico y la
comparan con valores límite predefinidos por el usuario mediante programa o
elementos exteriores a la tarjeta (potenciómetros, fuentes de tensión, etc): el
resultado de la comparación es señalizado con diodos LED en el modulo y enviado
a la CPU como bit de estado interno, donde será leído por consulta o por
interrupción.
50
•
Medidas de temperatura: la detección se realiza por procedimientos muy diversos,
pero en general, siempre de forma indirecta, midiendo el cambio de alguna
propiedad física con los cambios de temperatura (generalmente cambios de
resistencia o dilatación). Los sensores más utilizados son los termopares y las
termoresistencias Pt100.
•
Módulos de contaje rápido: sirven para la lectura de dispositivos que emplean la alta
frecuencia como elemento para mejorar la precisión, que normalmente no se
podrían leer.
•
Interfaces adaptadoras de señal: convierten una señal de colector abierto, procedente
por ejemplo de un codificador digital, en una señal diferencial para transmisión por
cable trenzado. Esta conversión aumenta la inmunidad al ruido de la señal, por lo
que será de utilidad en ambientes de excesivo ruido eléctrico o con distancia muy
largas de cableado.
•
Módulos de transmisión serie o módulos ASCII: permiten la comunicación e
intercambio de datos con dispositivos ajenos al PLC, con los que no tienen
interfaces especificas, como por ejemplo: visualizadores de mensajes, pantallas
TRC, impresoras, teclados, lectores magnéticos, módems, ordenadores y otros
autómatas
51
Entradas/salidas inteligentes
Las entradas/salidas inteligentes admiten en cambio, múltiples modos de configuración
ordenados por programa, y disponen de salidas binarias controladas desde la misma tarjeta,
lo que permite implementar lazos de control ON/OFF sobre variables de planta, en
funcionamiento transparente para la CPU. Las consignas y controles necesarios son
enviados por el programa de usuario, desde la CPU principal. De esta forma se descarga de
trabajo la unidad central, y se mejora indirectamente su capacidad de direccionamiento, al
abrirse la posibilidad de acceder a señales de entrada/salida que no tienen por que aparecer
en la memoria imagen.
Estas entradas/salidas actúan, como interfaces al autómata de señales particulares de planta,
pero se diferencian en un aspecto fundamental: disponen de salidas binarias propias cuyo
estado depende de la evolución de las señales leídas, lo que les permite reaccionar de forma
autónoma al ciclo de programa de la CPU. Así, la interfaz responde directamente a los
sucesos de planta, sin intervención de la CPU principal.
Esta característica define lazos de control ON/OFF de mejor precisión (menor excursión
alrededor del punto de consigna, mayor velocidad, etc.), reduciendo los tiempos de
respuesta frente a alarmas o interrupciones del proceso.
Además, estas interfaces suele disponer de mayor número de modos de funcionamiento que
las entradas/salidas especiales, permitiendo los cambios de modo mediante órdenes o
comandos enviados desde el programa, sin necesidad de tocar o ajustar físicamente la
tarjeta.
52
Muchas de las interfaces antes comentadas como entradas/salidas especiales, están también
bajo su forma inteligente: acopladores analógicos, detectores rápidos de umbral,
Lectores/convertidores de códigos binarios, lectura y control digital de recorrido,
contadores rápidos multifunción.
Procesadores Periféricos Inteligentes
Los autómatas han empleado, recientemente, aplicaciones muy superiores al simple
procesamiento de señales de mando por lógica de variables binarias; actualmente es común
que el PLC realice tareas de regulación de procesos, posicionamiento de ejes y dosificación
por ejemplo. Todas estas últimas aplicaciones, requieren gran capacidad de cálculo y
gestión de datos y no pueden ser ejecutadas de forma eficiente por la CPU.
La solución se realiza al disponer de procesadores específicos adaptados a tareas concretas
por su construcción, microprogramados (firmware), que se conectan directamente al
proceso con sus propias entradas/salidas y funcionan de forma autónoma a la CPU,
intercambiando con ella solo las señales de consigna y mando, y los resultados del proceso
o tarea que controlan.
Estos procesadores, comúnmente conocidos como tarjetas de proceso, limitan la
programación al envío de una simple lista de datos numéricos (parámetros y consignas) por
parte de la CPU principal, bajo control del programa de usuario. Desde este momento, el
funcionamiento del procesador es autónomo de la CPU, pero subordinado a ella, que puede
opcionalmente modificar los valores de parámetros o consignas, cambiar el modo de
operación, o incluso inhibir el funcionamiento.
53
Los procesadores periféricos inteligentes mas empleados en la industria de automatización
son dedicados a la regulación PID y a posicionamiento de ejes.
54
CAPÍTULO 4: Conclusiones y Recomendaciones
4.1 Conclusiones y Recomendaciones
•
La resolución de una periferia de salida analógica, la cual es una característica
intrínseca del convertidor Digital Analógico integrado, sin importar este sea
unipolar o bipolar, determina cuan preciso se logran controlar las variables del
proceso mediante los actuadores, ya que los intervalos de cuantificación crecen
exponencialmente en base 2, esto es “ 2 cantidad −bits = intervalos de cuantificación”.
•
Si se requiere que la periferia de salida se encuentre trabajando en ambientes muy
propensos a fallas por sobre voltajes y cortocircuitos, como por ejemplo una
aplicación de producción de energía, o una zona muy propensa a rayos durante la
estación lluviosa, la escogencia de un módulo de salida con separación galvánica
que ostente un parámetro elevado de aislamiento, ya bien sea para aislamiento
canal-canal o canal-tierra, es crítica en la protección del bus de comunicación
central con el PLC, pues al escoger este parámetro bien robusto, se evita que el
bloque central del CPU permanezca sin daños.
•
Las salidas digitales PNP, NPN y de CA permiten una mayor velocidad de
respuesta en los actuadores, ante el estímulo de un cambio en las entradas, con
respecto a las salidas por relé; además de que disminuyen los desgastes mecánicos
aumentando el MTBF del módulo de salida.
55
•
Si la periferia de salida no cuenta con aislamiento galvánico, es posible adherirle un
módulo externo de aislamiento, sin embargo la razón costo/beneficio se ve
comprometida, pues es más fácil y económico adquirir un módulo que cuente con
ella inherentemente.
•
Los módulos de salida que cuentan con alarmas parametrizables, permiten llevar un
control preciso del funcionamiento del sistema, pues no solo muestra que es lo que
esta sucediendo, sino que además informa al usuario las posibles causas y la forma
correcta de arreglarlo; sumamente útil en procesos donde no se puede detener el
volumen de producción de manera prolongada.
•
Si los actuadores conectados a una módulo de salida analógico de corriente son
sumamente sensitivos, es necesario cerciorarse que la hoja de fabricante, brinde una
especificación en la etapa de amplificación, con una salida de corriente lo más
cercana posible al nominal deseado, pues por más mínima que sea la variación de la
corriente requerida por el equipo de actuación, esta repercutirá directamente en el
tempo de vida útil de los accionamientos.
56
•
La implementación de interfaces especificas en el control de sistemas especializados
que requieren gran capacidad de cálculo y procesamiento de datos, permite que la
periferia de salida sea capaz de responder de forma autónoma ante una variación en
la señales leídas; resultando en el caso más complejo, el empleo de procesadores
periféricos inteligentes que permitan descentralizar el procesamiento de la unidad
central, logrando un control más eficiente y detallado del sistema.
57
BIBLIOGRAFÍA
Páginas web:
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http://www.monografias.com/trabajos27/analogico-y-digital/analogico-ydigital.shtml#sistema
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http://books.google.co.cr/books?id=o7yP4sPRCyEC&lpg=PA134&ots=PtoxKifMIz
&dq=estructura%20de%20los%20PLC&pg=PA126
3. Siemens. “Digital Output Model SM322”
https://mall.automation.siemens.com/WW/guest/content.asp?mlfb=&aktTab=1&lan
g=en&nodeID=5000056
4. Beck. “An PLC”
http://www.beck-ipc.com/files/applicationnotes/AN_PLC.pdf
5. Jones, C. “Programmable Logic Controllers”
http://books.google.co.cr/books?id=AuMzoz90j10C&lpg=PA165&dq=galvanic%2
0isolation%20%2B%20plc&pg=PP1
6. KNICK. “Kinck 6mm Housing Galvanic Isolation”
http://www.elscolab.nl/engels/knick_6mm_housing.htm
7. Wikimedia Foundation Inc. “Automata programable”,
http://es.wikipedia.org/wiki/Aut%C3%B3mata_programable
8. Irwin, D. “The Industrial electronics handbook”
58
http://books.google.co.cr/books?id=s0k9kGs5bHYC&lpg=PA588&dq=analogic%20%
2B%20I%2FO%20%2B%20plc&lr=&pg=PP1
9. Panasonic. “FP0 PLC Programmable Controls Expansion Units”
http://pewa.panasonic.com/acsd/plc/fp0/expansion-units/
10. InfoPLC.net. “Nais Panasonics FPWin PLC Descargas infoPLC.net Automatization
Industrial”
http://www.infoplc.net/Descargas/Descargas_NAIS/Descargas-NAIS.htm
11. ESDRAS Automatica. “Nais Panasonics FPWin PLC Descargas infoPLC.net
Automatization Industrial”
http://www.esdras.org/CONTROL.pdf
Libros:
12. Balcells, J, Romeral, J. “Autómatas Programables”,1era edición, Boixareu editores,
Barcelona, España, 1997.
ANEXOS
Anexo 1: Detalles generales de arquitectura de un PLC
La unidad de control consulta el estado de las entradas y accede en la memoria de
programa la secuencia de instrucciones a ejecutar, elaborando a partir de ella las señales de
salida u ordenes que se enviaran al proceso. Durante la ejecución del programa, las
instrucciones son procesadas en secuencialmente, una tras otra. Esta unidad, es también
responsable de actualizar continuamente los temporizadores y contadores internos que
hayan sido programados.
La memoria del autómata contiene todos los datos e instrucciones que necesita para
ejecutar la tarea de control.
La memoria interna es la encargada de almacenar datos intermedios de calculo y variables
internas que no aparecen directamente sobre las salidas, así como un reflejo o imagen de
los últimos estados leídos sobre las señales de entrada o enviados a las señales de salida.
La memoria del programa contiene la secuencia de operaciones que deben realizarse
dependiendo del estado de las señales de entrada para obtener las señales de salida. Además
contiene los parámetros de configuración del autómata. Si se quiere introducir alguna
variación sobre el sistema de control basta generalmente con modificar el contenido de esta
memoria.
Las interfaces de entrada y salida establecen la comunicación del autómata con la planta.
Para ello, se conectan por una parte con el proceso a través de bornes, y por otra con el bus
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interno del autómata. La interfaz se encarga de adaptar las señales que se manejan en el
proceso a las utilizadas internamente por la CPU.
La fuente de alimentación proporciona, a partir de una tensión exterior, las tensiones
necesarias para el buen funcionamiento de los distintos circuitos electrónicos del sistema.
En ocasiones, el autómata puede disponer de una batería conectada a esta fuente de
alimentación, lo que asegura el respaldo del programa y algunos datos en las memorias en
caso de interrupción de la tensión exterior.
Figura 2.1 Diagrama de bloques de un autómata programable
Se conoce como bus interno al conjunto de líneas y conexiones que permiten la unión
eléctrica entre la unidad de control, las memorias y la interfaces de entrada y salida. Un bus
se compone de un conjunto de hilos o pistas utilizadas para intercambiar datos u órdenes
(por ejemplo, el contenido de memoria o las instrucciones de la unidad de control)
Solo puede haber un periférico ocupando el bus, ya que de lo contrario se mezclarían los
datos enviados entre si o se recibirían en un periférico datos que no le corresponden.
Los tres buses característicos de un sistema digital son los siguientes: bus de datos, por el
que tienen lugar las transferencias de datos del sistema, bus de direcciones, a través del cual
se direcciona la memoria y el resto de los periféricos, bus de control, constituido por todas
las conexiones destinadas a gobernar los intercambios de información. Todos estos buses se
reunifican en el autómata en uno solo que recibe el nombre de bus interno.
Se considera también como bus del autómata cualquier conexión entre bloques o módulos
que no necesite de procesadores específicos de comunicaciones en sus extremos, como, por
ejemplo, el cable de conexión entre el autómata y una unidad externa de expansión E/S.
Figura 2.2 Estructura de conexión mediante buses de un autómata programable.
Anexo 2: Esquema de conexión del módulo de salidas digitales SM 322; DO 8, DC
24V/0,5A; con alarma de diagnóstico.
Figura xx. Esquema de conexión del módulo de salidas digitales SM 322; DO 8,
DC 4V/0,5A