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martes, 28 de abril de 2009

EL PLC: DIAGRAMAS DE ESCALERA ( VI )

A continuación tenemos un ejemplo de cómo la acción de tres interruptores de entrada es convertida en una función lógica elaborada gracias a la programación llevada a cabo sobre el PLC con la ayuda de la computadora:


En este caso, tenemos tres interruptores X1, X2 y X3 de activación manual, todos ellos normalmente abiertos, conectados a sus respectivas entradas al PLC, en el cual gracias a la programación llevada a cabo con la ayuda de la computadora son combinados para formar la siguiente función Boleana:
Y1 = X1∙X2 + X2∙X3 + X1∙X3Con la misma facilidad con la cual formamos esta función Boleana a partir de los tres interruptores conectados a las entradas del PLC podríamos haber formado funciones Boleanas más complejas aún, lo cual nos dá una muestra de las enormes ventajas que tiene el darle capacidades de programación a los controladores lógicos.Ahora se mostrará la implementación en un PLC de algo que ya vimos aquí previamente; la dotación de una "memoria" a una configuración usando para ello la retroalimentación:





En este esquema, podemos ver en el diagrama de escalera que si se oprime manualmente el botón interruptor normalmente abierto X1, identificado como "Activación del Motor", la salida del relevador de control Y1 será energizada con lo cual dicho relevador cerrará uno de sus contactos permitiendo con ello que un motor M1 sea echado a andar. Pero al mismo tiempo, otro de los contactos del relevador de control que está en combinación lógica OR con X1 será también cerrado. Este es el contacto normalmente abierto Y1, y aunque el botón interruptor X1 deje de ser oprimido el motor seguirá trabajando por el efecto "memoria" que está proporcionando la retroalimentación de Y1 hacia sí mismo a través de uno de sus contactos. Si queremos detener el movimiento del motor, tenemos que abrir el contacto normalmente cerrado X2 oprimiendo dicho botón. Obsérvese que en el diagrama de escalera antes de comenzar la acción el interruptor X2 no es mostrado de color rojo pese a que el foquito LED del PLC está encendido indicando suministro de energía, en virtud de que a X2 se le considera "encendido" cuando el contacto es abierto por acción del usuario. El empleo de relevadores electromecánicos de uso pesado para este tipo de función es más común de lo que muchos pudieran imaginarse: cada vez que una persona entra a un ascensor y oprime un botón que marque un piso diferente al piso en el que se encuentra, la puerta del ascensor se cierra y la persona es llevada hacia el piso seleccionado sin necesidad de que la persona tenga que seguir manteniendo oprimido el botón correspondiente a dicho piso. Y una vez que ha llegado a dicho piso, otro contacto interruptor normalmente cerrado se abre "limpiando" con ello la memoria de la requisición del usuario. Pero este tipo de circuito puede trabajar en forma completamente automática sin intervención humana, como lo muestra el siguiente ejemplo animado de un tanque de almacenamiento de líquidos que consta de dos sensores que detectan uno de ellos un nivel bajo de líquido y el otro un nivel alto de líquido (ampliar imagen para poder ver la acción con efectos animados):






En este ejemplo, al principio el tanque está inicialmente vacío y todos los interruptores están en la condición de "verdadero" (True). En el monitor de una computadora que supervisa no sólo lo que ocurre en el diagrama de escalera (puesto a la derecha) sino inclusive en una representación pictográfica de lo que se está controlando (puesto a la izquierda), al empezar con el tanque vacío todos los interruptores aparecen de color verde al igual que los sensores de un nivel bajo del líquido (low level) y un nivel alto del líquido (high level). Estos dos sensores son las entradas en el diagrama de escalera. Es importante remarcar aquí antes de que el ejemplo se pueda prestar a confusiones que en esta representación visual se utiliza el mismo símbolo para un interruptor normalmente cerrado que el que se usa para un interruptor normalmente abierto, y la labor de distinción se debe hacer tomando en cuenta lo que ocurre en el diagrama pictográfico a la izquierda. Al comienzo, el motor de llenado de líquido (fill motor) que aparece como una salida puesta en el segundo peldaño del diagrama de escalera es energizado gracias al contacto normalmente cerrado en el segundo peldaño que es un contacto perteneciente al relevador de control cuya salida a su vez está puesta en la esquina superior derecha del primer peldaño del diagrama de escalera; por lo tanto al comienzo el motor se encuentra trabajando llenando el tanque de líquido. Podemos concluír que los dos interruptores puestos en el primer peldaño del diagrama de escalera son interruptores normalmente cerrados ya que de otra forma por estar ambos en configuración AND el motor de llenado no podría estar trabajando. Al irse llenando el tanque, el sensor de nivel bajo de líquido eventualmente es activado pasando con ello de la condición de "verdadero" (True) a la condición "falsa" (False), destacada con letras de color rojo en el primer interruptor (normalmente cerrado) puesto en el extremo izquierdo del primer peldaño que corresponde precisamente al sensor de nivel bajo de líquido. En el diagrama pictográfico, el mismo sensor de nivel bajo de líquido cambia de color verde a color rojo resaltando su activación. Pero el llenado de líquido no se detiene al abrirse este interruptor, ya que por el efecto "memoria" la corriente eléctrica encuentra un camino alterno (indicado por una línea de color azul). Eventualmente, el tanque se sigue llenando hasta que el sensor de nivel alto de líquido es activado pasando también de la condición de "verdadero" (True) a la condición "falsa" (False). Al ocurrir esto, el segundo interruptor normalmente cerrado del primer peldaño pasa de "verdadero" (True) a la condición "falsa" (False), lo cual corta definitivamente el suministro de energía a la salida correspondiente al relevador de control del motor de llenado que también entra en condición False al ser apagada . De este modo, queda claro que los dos interruptores que aparecen en el primer peldaño del diagrama de escalera son los que corresponden a las entradas proporcionadas por ambos sensores de nivel alto y nivel bajo de líquido. Al apagarse el relevador de control, su salida con la cual se está retroalimentando pasa también a la condición False al igual que su salida con la cual estaba permitiendo la energización del motor de llenado en el segundo peldaño. Es así como todos los interruptores entran en la condición de False en el diagrama de escalera. Al apagarse el motor, el nivel del líquido en el tanque empieza a descender conforme a su uso normal, hasta que eventualmente el nivel del líquido está por debajo del sensor del nivel alto que con ello pasa de la condición False a la condición True. Pero esto no es suficiente para echar a andar el motor de llenado de líquido, ya que es necesario que el sensor de nivel bajo de líquido también entre en la condición True para que el motor empiece a funcionar al energizarse de nuevo el relevador de control, lo cual ocurre eventualmente dando inicio a un nuevo ciclo de llenado automático del tanque.El circuito que acabamos de estudiar es un circuito de ciclo perpetuo. Una vez que ha sido echado a andar, continuará trabajando por sí solo sin intervención humana de ningún tipo mientras reciba suministro de corriente y mientras no falle alguno de los componentes.Independientemente de que las computadoras que llevan a cabo las funciones de inteligencia sobre un PLC han ido aumentando enormemente en grado de sofisticación, los mismos PLC han ido evolucionando en capacidad y en funciones, a grado tal que muchos de los relevadores electromecánicos que dieron origen al PLC son prácticamente obsoletos, desplazados por la presencia de semiconductores de alta potencia capaces de manejar voltajes y corrientes elevados. A continuación tenemos una muestra de un "relevador" de estado sólido en el cual ya no hay bobinas de alambre ni resortes ni palancas mecánicas móviles:
















En este relevador de estado sólido, mejor conocido como opto-acoplador (opto-coupler) hay un aislamiento eléctrico total entre su entrada y su salida en virtud de que el acoplamiento interno entre la entrada y la salida se lleva a cabo por medio de la luz, con un diodo LED emitiendo un haz luminoso al cerrarse el interruptor a la entrada, haz luminoso que pone en funcionamiento un opto-triac permitiendo el paso de la corriente alterna a través de la carga. Obsérvese que con esta configuración la entrada es alimentada con una fuente de corriente directa, mientras que la carga recibe por su parte la energía de una fuente de corriente alterna, y todo ello sin necesidad de recurrir a electrónica interna costosa, lo cual ha sido posible gracias al advenimiento de la optoelectrónica que proporciona este tipo de aislamientos entre circuitos distintos utilizando a la luz como intermediaria.Un PLC de "nueva generación" es el Allen-Bradley PLC5, expandible a base de módulos, el cual se muestra a continuación:






















La "rejilla" (rack) que alberga los módulos incluye como mínimo una fuente de poder que sea capaz de alimentar las funciones básicas de procesamientos de todos los módulos que sean montados en ella, y debe incluír también un módulo especial fijo (permanente, no-removible) que incorpore un microprocesador o un microcontrolador que llevará a cabo las funciones de control y programación interna dentro del PLC tanto de las entradas como de las salidas. Los módulos opcionales generalmente son módulos para poder manejar entradas o para poder manejar salidas, con distintas capacidades según lo requieran las necesidades de los clientes. Si alguna aplicación requiere súbitamente aumentar el número de relevadores de control de salidas de cinco a treinta, por ejemplo, no hay necesidad de tener que adquirir otro PLC completamente nuevo perdiéndose con ello la inversión original, sólo es necesario adquirir otro módulo para poder aumentar así la capacidad de manejo de salidas del PLC. Esta es esencialmente la idea detrás de la principal ventaja de la modularidad, en contraste con los PLCs que son vendidos como cajas "cerradas" cuyas capacidades no pueden ser ampliadas posteriormente, y es una de las razones por las cuales la computadora de escritorio no ha podido reemplazar por completo a los PLCs como en un principio se creyó que ocurriría.Un PLC de este tipo ofrece una gran flexibilidad a un costo igualmente grande, aunque para aplicaciones de automatización y control industrial y comercial existen controladores lógicos más económicos que inclusive además de ser portátiles se pueden programar directamente en el área de trabajo empleándose la carátula en la cual aparece el diagrama de escalera como medio visual para poder leer, interpretar, y reprogramar si es necesario, cualquiera de los parámetros de los que consta alguna aplicación, como lo es el caso del controlador ZEN fabricado por la empresa japonesa Omron:

Hemos hablado aquí de los controladores lógicos programables, desarrollados a fines de los años sesenta, los cuales están siendo reemplazados por los más modernos controladores programables de automatización (Programmable Automation Controller o PAC), los cuales ofrecen la posibilidad de utilizar algoritmos avanzados de control, manipulación extensiva de bases de datos, simulación de procesos complejos, procesamiento veloz bajo control de microprocesador, y capacidad en el manejo de rangos de memorias que están fuera del alcance de los PLCs.

EL PLC: DIAGRAMAS DE ESCALERA ( V )

Esto lo podemos enunciar mediante un

PROBLEMA: Construír, sobre un diagrama de escalera, el equivalente funcional de un flip-flop J-K tal que los cambios de estado ocurran durante la transición positiva de los "pulsos de reloj".Un equivalente funcional del flip-flop J-K construído con relevadores electromecánicos tiene la siguiente representación en un diagrama de escalera:


Este flip-flop J-K, como puede apreciarse analizando el diagrama de escalera, es un flip accionado con las transiciones positivas de los "pulsos de reloj", lo cual en este caso equivale a la cerradura del contacto normalmente abierto C. En este diagrama tenemos los contactos equivalentes a las terminales J y K así como las salidas Q y Q del flip-flop. Este flip-flop J-K electromecánico actúa de la siguiente manera: Cuando las "entradas" J y K son iguales a un "1" lógico, lo cual en este caso requiere que los contactos normalmente abiertos sean cerrados, el flip-flop cambiará de estado con cada transición positiva en la entrada C, o sea cada vez que el contacto normalmente abierto C sea cerrado. Si la entrada J es igual a un "1" lógico y la entrada K es igual a un "0" lógico, el flip-flop entrará en el estado Q=1 (Q=0) cuando el contacto normalmente abierto C sea cerrado, independientemente del estado anterior que el flip-flop haya tenido. Si la entrada J es igual a un "0" lógico y la entrada K es igual a un "1" lógico, el flip-flop entrará en el estado Q=0 (Q=1) cuando el contacto normalmente abierto C sea cerrado, independientemente del estado anterior que el flip-flop haya tenido. Y si ambas entradas J y K están puestas a un "0" lógico, el estado del flip-flop no cambiará ante las transiciones que ocurran en la entrada C.Recordemos de la sección de problemas resueltos del texto principal cómo del flip-flop J-K podemos derivar los demás flip-flops restantes, tanto el flip-flop T como el flip-flop D. Esto sigue siendo igualmente válido e igualmente fácil de lograr sobre un diagrama de escalera usando relevadores electromecánicos:

PROBLEMA: Construír, sobre un diagrama de escalera, el equivalente funcional de un flip-flop T tal que sus cambios de estado ocurran durante la transición positiva de los "pulsos de reloj".Recuérdese que el flip-flop T es un flip-flop sin terminales de entrada J-K, el cual simplemente cambia de estado con cada transición positiva (o negativa, según sea el caso) en su única terminal de entrada. Esto lo podemos lograr sobre el diagrama anterior substituyendo en dicho diagrama los contactos normalmente abiertos J y K por una conexión "directa" que garantizará el equivalente permanente de un "1" lógico puesto todo el tiempo sobre dichas terminales, con lo cual tendremos un flip-flop de una sola entrada que cambiará de estado cada vez que el contacto normalmente cerrado C se cierre. El diagrama de escalera para este flip-flop J-K será entonces:



Puesto que todas las funciones lógicas combinatorias y secuenciales se pueden implementar mediante relevadores electromecánicos, y puesto que las computadoras de uso actual están construídas con semiconductores que implementan funciones lógicas combinatorias y secuenciales, esto podría hacer suponer que, en principio, podemos construír una computadora de principio a fin utilizando relevadores electromecánicos. Esto fue precisamente lo que se hizo cuando se construyó en los Estados Unidos la computadora Harvard Mark I y en Alemania cuando se construyó la computadora

Z3:http://en.wikipedia.org/wiki/Harvard_Mark_Ihttp://en.wikipedia.org/wiki/Z3_(computer)


Sin embargo, aún para nuestros tiempos, una computadora construída con relevadores electromecánicos sigue teniendo un costo mucho mayor que una computadora construída con semiconductores, además de ser muchísimo más lenta que su contraparte construída con millones de transistores puestos en un solo "chip" semiconductor.La desventaja de relevadores de retardo de tiempo como los que se han señalado aquí como ejemplos es que los rangos de tiempo que pueden ser seleccionados son sumamente limitados, y una vez que han sido seleccionados solo pueden ser alterados manualmente cada vez que ello sea necesario, lo cual es contrario al espíritu de la automatización. Esta desventaja puede ser superada construyendo relevadores de retardo de tiempo que puedan ser programables a través de una circuito controlador, lo cual nos lleva a la necesidad del diseño de controladores programables.La idea esencial para construír un controlador programable consiste en construír primero un módulo que contenga no uno sino varios relevadores, y el cual en su parte frontal quizá tendrá un aspecto como el siguiente:




Obsérvese que del lado izquierdo tenemos una hilera de tornillos identificados con los símbolos X propios de las entradas representadas en un diagrama de escalera, mientras que del lado derecho tenemos una hilera de tornillos identificados con los símbolos Y propios de las salidas de un diagrama de escalera, siguiendo la práctica de que en los diagramas de escalera las entradas son representadas del lado derecho y las salidas del lado izquierdo. Como el PLC al igual que cualquier otro aparato eléctrico también requiere energía para poder funcionar, este PLC recibe su energía mediante los tornillos L1 y L2 conectados a los rieles de la escalera. Las entradas al PLC serán tomadas del mundo exterior a través de interruptores o sensores y los cables de señal serán fijados en el PLC precisamente con los tornillos. Lo mismo ocurre con las salidas. El uso de tornillos para el fijamiento de cables y alambres es una cuestión de comodidad y conveniencia para los técnicos que habrán de darle mantenimiento a este tipo de aparatos, ya que la alternativa de soldar requiere herramientas que van más allá del uso de un simple desarmador.A continuación, suponiendo que los rieles de la escalera están siendo alimentados con un voltaje de 120 volts AC, podemos ver cómo la entrada X1 a nuestro PLC es energizada al cerrarse el contacto que corresponde a dicha entrada (el multímetro nos confirma la presencia del voltaje de 120 VAC entre la terminal de entrada X1 y la terminal común identificada como Common):








El uso de una terminal común Common nos ayuda a reducir la cantidad de alambrado requerida. Sin la terminal común, se requerirían varios pares de cables para proporcionarle energía a cada una de las entradas X del PLC. Usando un cable común de "retorno de corriente" para todos los casos, la cantidad de alambrado se reduce a la mitad. Podemos ver en la representación de nuestro PLC que a un lado de cada tornillo que corresponde a cada terminal de entrada hay un foquito LED que se enciende confirmándole al técnico la activación de dicha entrada.Ahora tenemos a nuestro PLC energizando la salida Y1 al ser activada dicha salida (el multímetro nos confirma la presencia del voltaje de 120 VAC que está recibiendo la carga):










Posiblemente el lector ya se estará preguntando cuál es la función del conector pequeño que aparece en la parte inferior del PLC identificado como Programming Port.En tiempos de antaño, antes de que hicieran su aparición los transistores, los circuitos integrados y los microprocesadores, la "programación" por así llamarla se llevaba a cabo manualmente, implementándose todo con relevadores electromecánicos ordinarios y con relevadores de retardo de tiempo, con todas las desventajas operacionales que ello implicaba aunque con la relativa simpleza del mantenimiento de equipos de control automático construído con tales controladores. El PLC que hemos descrito, trabajando prácticamente por sí solo, aún se encuentra en numerosas aplicaciones "viejitas". Pero la revolución tecnológica que estamos viviendo está haciendo posible algo que en otros tiempos hubiera sido impensable: conectar el PLC directamente a una computadora personal PC dejándole a la computadora muchas de las labores de "inteligencia". Esto en otros tiempos hubiera estado fuera de cualquier presupuesto porque mientras que un controlador básico podía tener un costo de algunos cientos de dólares, las computadoras que había tenían un costo de varios millones de dólares. Hoy que la brecha se ha cerrado, la conexión de un PLC a una computadora de escritorio (o inclusive a una computadora portátil de bolsillo) se lleva a cabo precisamente mediante un conector en el PLC identificado con algún nombre como puerto de programación, el cual todavía hasta hace poco era conectado a una computadora a través de un cable bajo el protocolo RS-232 pero más recientemente se está conectando a través de un cable bajo el protocolo USB.La ventaja inmediata de poder conectar un PLC a una computadora es que en la misma computadora se puede echar a andar algún programa que no sólo muestre el diagrama de escalera que está siendo implementado, sino que inclusive a través del mismo teclado se pueden modificar muchos de los parámetros en el diagrama de escalera sin necesidad de tener que meter la mano dentro del PLC. Todo se lleva a cabo hoy en día directamente desde la computadora.A continuación tenemos un esquema que ilustra la idea básica de lo que acabamos de describir:












El recuadro de color ciano representa el monitor de una computadora. El interruptor conectado a la entrada X1 del PLC es representado con el mismo símbolo en el monitor de la computadora en un diagrama de escalera, mientras que el foco conectado a la salida Y1 del PLC es representado también como Y1. Cuando se cierra el interruptor X1 y se energiza la carga Y1, ambas acciones aparecen actualizadas de inmediato en el monitor de la computadora en donde tanto el símbolo para X1 como el símbolo para Y1 se tiñen de color rojo (por su parte, en la misma carátula del PLC se encienden los foquitos LED situados a un lado de los tornillos correspondientes al alambre de entrada a X1 y al alambre de salida a Y1 confirmándole al técnico que esas conexiones al PLC han sido activadas):







Si queremos convertir la entrada X1 en un interruptor normalmente cerrado en vez del interruptor normalmente abierto que tenemos aquí, ya no es necesario "salir afuera" con un desarmador en la mano. Con unas modificaciones a través del teclado de la computadora podemos hacer el cambio como el que vemos en el siguiente dibujo:








Esta figura parece igual a la figura anterior. Sin embargo, si observamos con cuidado, veremos que en el monitor de la computadora X1 ya no aparece en el diagrama de escalera como un interruptor normalmente abierto sino como un interruptor normalmente cerrado. En el circuito físico, podemos ver que el interruptor no ha sido "cerrado" y por lo tanto el foquito LED en el PLC está apagado. Pero como X1 ha sido "convertido" por acción de programación en la computadora en un interruptor normalmente cerrado, el hecho de que esté abierto implica que estará suministrando energía para activar la salida Y1 como nos lo confirman tanto el foquito LED en el PLC como el monitor de la computadora. Del mismo modo, si queremos variar un retardo de tiempo en la acción de alguna de las salidas, ya no tenemos que salir para andar moviendo perillas, lo podemos hacer también desde el teclado de la computadora, pudiendo variar el retardo de tiempo en cualquier salida desde microsegundos o milisegundos hasta varias horas o días, con una precisión cronométrica que los hoy ya prácticamente obsoletos relevadores de retardo de tiempo no podían proporcionar.