EL PLC: DIAGRAMAS DE ESCALERA ( I )

Además de la representación que hemos venido utilizando en este blog de circuitos lógicos capaces de llevar a cabo alguna función, existe otro tipo de representación de los mismos ampliamente utilizada en aplicaciones industriales de automatización y control digital. Se trata de los diagramas de escalera lógica (logic ladder diagrams), conocidos simplemente como los diagramas de escalera. Los diagramas de escalera son un lenguaje visual que permite llevar a cabo la programación de los controladores lógicos programables conocidos comúnmente en la literatura técnica por sus siglas PLC (del inglés Programmable Logic Controller). Esto, en cierta forma, es nuestro punto de introducción hacia las ramas de la robótica y la mecatrónica.Hablando en términos generales, los circuitos integrados tratados previamente son circuitos integrados utilizados fundamentalmente para el procesamiento de datos, para el procesamiento de información, en los cuales se desea economizar al máximo el consumo de energía, y por lo tanto han sido diseñados para poder operar con corrientes eléctricas muy pequeñas. Ciertamente, no son capaces de poder manejar las corrientes eléctricas necesarias para poder encender y apagar motores. Esto requiere de componentes eléctricos para uso pesado (heavy duty) tales como los relevadores electromecánicos estudiados al principio de este libro o como los rectificadores controlados de silicio SCR y los thyristores. Sin embargo, es deseable mantener la misma flexibilidad de poder interconectar estos elementos de control siguiendo un esquema de fácil interpretación y mantenimiento como el que proporcionan los diagramas convencionales de las funciones lógicas básicas. Considérese el siguiente diagrama elemental de un motor activado directamente con voltaje de 120 volts de corriente alterna (el cual podría ser el motor de un ventilador casero, de un taladro, o de una licuadora):



En este diagrama eléctrico cuando el interruptor S se cierra, el motor es energizado y comienza a funcionar, y cuando el interruptor S se abre, el motor deja de funcionar. Con un poco de imaginación, podemos visualizar este diagrama como el peldaño de una escalera, y en efecto este es posiblemente el diagrama de escalera más sencillo que podamos trazar. En un diagrama de escalera, la fuente de energía es representada por los dos "rieles" verticales de la escalera, mientras que los peldaños de la escalera son utilizados para representar los circuitos de control. Los contactos normalmente abiertos de un interruptor o de un relevador son representados mediante dos líneas paralelas verticales (es importante no confundir este símbolo con el símbolo utilizado en los textos de electricidad y electrónica para representar capacitores), mientras que los contactos normalmente cerrados de un interruptor o de un relevador son representados mediante dos líneas paralelas atravesadas con una línea diagonal. Si convenimos en representar la acción de "encendido" del interruptor S como una entrada simbolizada con la letra A y la salida resultante (el encendido del motor) con un círculo y una letra Y, el diagrama de escalera para el circuito anterior será el siguiente:



(Es importante no confundir el símbolo utilizado para representar un interruptor como el interruptor A en el diagrama de arriba con el símbolo utilizado para representar un capacitor en los diagramas eléctricos convencionales.)Un diagrama de escalera puede contener peldaños al igual que una escalera verdadera. Cada peldaño debe contener una o varias entradas, y una o varias salidas. La primera instrucción en un peldaño, puesta del lado izquierdo, siempre debe representar la acción de una entrada, y la última instrucción de un peldaño, puesta del lado derecho, siempre debe representar la acción de una salida.Para nuestra discusión, adoptaremos aquí la siguiente simbología:
X se usará para representar entradas
Y se usará para representar salidas
CR se usará para representar relevadores de control
En un circuito que conste de varias entradas y/o varias salidas y/o varios relevadores de control, a cada uno de estos símbolos se les añadirá un número con el fin de distinguir distintos tipos de entradas, distintos tipos de salidas, y distintos tipos de relevadores de control. De este modo, X1, X2 y X3 representan tres entradas diferentes que pueden ser cada una de ellas interruptores normalmente abiertos:




o interruptores normalmente cerrados:



A continuación tenemos el equivalente de la función lógica OR en un diagrama de escalera, en la cual si cualquiera de los interruptores X1 ó X2 o ambos son cerrados el motor Y arrancará:

Es importante tener en cuenta que el origen de los interruptores X1 y X2, aunque ambos activen la misma salida Y, puede ser diferente. Puede tratarse de dos interruptores situados en puntos remotos de una fábrica, o pueden ser interruptores activados por operadores situados en máquinas distintas. Sin embargo, la acción de ambos interruptores no sólo es algo parecido a la función lógica OR, son la función lógica OR, implementada en un diagrama de escalera.A continuación tenemos el equivalente de la función lógica AND, en la cual es necesario que ambos interruptores X1 y X2 estén cerrados para que la salida Y pueda ser activada:


Y por último, la función inversora NOT se puede implementar en un contacto de entrada utilizando un interruptor que en lugar de estar normalmente abierto está normalmente cerrado, teniendo así el equivalente de la función lógica NOT ya que es necesario "encender" al interruptor X abriendo el contacto para apagar el suministro de energía a la salida Y:




Tenemos pues el equivalente de las tres funciones lógicas básicas para los diagramas de escalera. Y con esto podemos representar cualquier circuito lógico como los que hemos estudiado anteriormente en este libro.Las expresiones Boleanas usadas en los circuitos combinatorios lógicos convencionales pueden ser "traducidas" con pocos problemas hacia un diagrama de escalera. Tal es el caso de la expresión Boleana:
Y = ABC
cuya implementación en un diagrama de escalera es la siguiente:

mientras que para la siguiente expresión Boleana:
Y = ABC + ABC

su contraparte en un diagrama de escalera es:

Los interruptores mostrados en estos diagramas de escalera son interruptores que pueden ser activados tanto por intervención humana como por acción de algún sensor (temperatura, presión, humedad, etc.) Sin embargo, cuando queremos destacar en forma muy explícita algún interruptor que será accionado manualmente por una persona, podemos utilizar el siguiente símbolo cuando se trata de un interruptor normalmente abierto:

o bien el siguiente símbolo cuando se trata de un interruptor normalmente cerrado:

De este modo, un interruptor normalmente cerrado X activado manualmente cuya función no es permitir el paso de la corriente eléctrica a una carga Y sino cerrar el paso de la corriente eléctrica a dicha carga tendrá la siguiente representación en un diagrama de escalera:

Es importante tener en mente que la notación que hemos presentado aquí, aunque difundida en muchos libros de texto, no es adoptada universalmente por todos los fabricantes de equipo cuyo uso está basado en la aplicación de diagramas de escalera. Ejemplo de ello es el siguiente diagrama de escalera que utiliza la notación del fabricante Allen-Bradley:

Este diagrama de escalera representa la misma configuración que vimos previamente cuya expresión Bolena es Y=ABC+ABC.Una diferencia notoria entre estas funciones lógicas de escalera y las funciones lógicas manejadas por los circuitos integrados es que en el diagrama de escalera los voltajes usados para accionar las entradas pueden ser (y de hecho son en muchos casos) diferentes de los voltajes usados para activar las salidas, de modo tal que una entrada puede representar el accionamiento de un relevador energizado con un voltaje DC de 5 volts, mientras que una salida puede representar la aplicación de un voltaje de 120 volts AC a un motor usando los contactos de salida del mismo relevador. En cierta forma, el uso de un relevador electromecánico (o su equivalente en circuitos semiconductores de alta potencia) nos permite manipular cargas pesadas de voltajes y corrientes eléctricas a través de un voltaje mucho más pequeño empleado para activar la bobina del relevador. Esto nos dá ya una pista de que muchas aplicaciones interesantes tienen su origen con el empleo de relevadores, razón por la cual enfocaremos ahora nuestra atención a estos componentes que fueron el punto de partida para la construcción de los primeros controladores lógicos.El relevador de control que estaremos utilizando es idéntico al relevador electromecánico que fue introducido al principio del segundo capítulo de esta obra (Las Tres Funciones Lógicas Básicas), excepto que ahora la salida del relevador en vez de ser interpretada todo el tiempo como una señal de voltaje igual al voltaje con el cual es activada la bobina del relevador ahora puede ser algo con niveles completamente diferentes de voltaje y corriente eléctricas, de modo tal que si bastase un voltaje de 5 volts de corriente directa para activar a un relevador, los contactos representativos de la salida del mismo podrían manejar y suministrar un voltaje de 120 volts de corriente alterna para alimentar un motor eléctrico de uso pesado (como el motor del elevador de un edificio) que tal vez consuma una corriente eléctrica tan grande que esta misma corriente eléctrica posiblemente quemaría el alambre de la bobina del relevador (o mejor dicho, lo fundiría.) La entrada del relevador (su bobina) y la salida (o salidas) del relevador que vienen siendo interruptores normalmente abiertos o normalmente cerrados se pueden considerar eléctricamente aisladas e independientes. A continuación tenemos un relevador Potter & Brumfield cuya bobina requiere un voltaje de 24 volts de corriente directa para energizarse cerrando los contactos normalmente abiertos y abriendo los contactos normalmente cerrados:

Obsérvese que en la cara de este relevador tenemos la explicación clara del diagrama de contactos situados en la parte inferior del mismo; es un relevador que nos proporciona dos interruptores separados (conocidos comúnmente como polos), los cuales al energizarse la bobina no sólo abren al mismo tiempo sus contactos normalmente cerrados sino que cierran otros contactos complementarios (esto se conoce como una acción de dos tiros), y por esto mismo este relevador puede ser clasificado como un relevador de dos-polos dos-tiros (en inglés, DPDT o double-pole double-throw).