Automatas Programables Josep Balcells

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SERIE:~ICO Eugenio Rey, Coordinador

AUTÓ PROGR

TAS BLES Josep Balcells José Luis Romeral

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Fotografía de cubierta cortesía de Siemens

C> de los autores, 1997 Reservados iodos los derechos de publicación. reproducción,, préstamo. alquiJer o cualquier otra forma de cesión del uso

de este ejemplar en cualquier idioma por MARCOMBO, S. A. Gran Via de les Corts Catalanes, 594 08007 Barcelona (España)

Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización escrita de los titulares del "Copy· right", bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción tolal o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos La reprografia y el tratamiento

informático, y la distribución de ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo públicos, así como la exportación e importación de esos ejemplares para su distribución en venta, fuera del ámbito de la Unión Europea.

ISBN: 84-267-1089-1 Depósito Legal: B. 486-1997 Impreso en España Printed in Spain Fotocomposieión: FOINSA - Passatge Gaioli, 13-IS - 08013 Barcelona Impresión: Grilfiques 92 - Torrassa 108 ll. - 08930 Sant Adna de Bcsós www.deingenieria.com

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ÍNDICE GENERAL PARTE 1: AUl'OMA'OZACIÓN: CONCEPrOS GENERALF.S L ~

J. l. 1,2. 1.3. 1.4.

ol conlnll lndus01ll

d.~'-----~----~---~

l.8.

lniroduoción ..........................•......•...•••• Sistema< Automatismos analógicos y digjllllcs Componentes y modelos Automatismos cableados y programables ..............•...• El auiómala programable Control por ordenador •................................ Resumen .......................•.....•.............

19

Referencias

21

ln1md11cx:ión

2.3.

Automatismos oombinacionales y secuenciales Disci'jo de automacjsmos oombjnactonates

l.S.

J.6.

1.7.

u. 2.4.

25

2.6

2.7. 2.8. 2.9. 2.10. 2.11.

2.12. 2.13. 2.14.

2.IS. 2.16. 2.17.

Modelos

D.1se ñOCd

2.19.

funciones de transferencia

2.11.2. 2. 11.3.

.

.

.

8SJlQOODEJSlll05

.

1 SCQ!C-OQ3.CS

..............•.......

,, ,,

Secuencia lineal

3.S.

3.6. 3.7.

J

4

4

s

6 7 8

9 9

.

..

18

17 19

..

. . .

Divergencia y convergencia en «0» ..•••.•......... Diveritencia y oonvewncia en «Y» . . . . . . . . . . . . • • • .

20

23 25

26 27

27 29 30

Diagramas de Dujo y diagramas GRAFCET

.

Puestas en marcha y paradas: GEMMA

.

32 33

.

35 35 35

Elapas iniciales, preposicionamiento y alarmas ....•......•••..

2.14.1. 2.14.2. 2.143.

Elementos de base .................•.•........ Estados de funcionamiento ......••...•...•••..•. Estados de paro ....................•........•.

2.14.4. Estados de fallo Méiodo general de diseño basado en GEMMA ...•.•....•... 2.LS.I. Coordinación horizontal 2.15.2. Coordinación piramidal o jcrarqutzada .....••••.•..• Paros de emergencia Ejemplo de diseño 2.17.1. Fases A y B de dtseño ......•.................. 2.17.3.

Fase C de díseño

Fase D de diseño .......................•.....

Resumen ........................•.

Referencias

., ........•.......

.

.. ..

.. ..

J. Dise!lo de Mllomalismos con señales !l!!i6cias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. lntrodumión . • • . • ..•...• •••.••• . .•.••..••. 3.2. Modelo de sistemas analógicos: Diagramas de bloques ...••••.. 3.3. Función de transferencia (FDT) ..

3.4.

J

10 10 11 13 16

. .

Oiseiio basado en GRAFCET GRAFCET: Elementos de base y reglas de ll"Olución ••.....•. GRAFCET: Ejemplo de diseño Macroctapas y represeniación en detalle Estructuras básicas del GRAFCET .................•...... 2.11.l.

.

.

GRAFCEf: R~nJúslólioo

2.17.2.

2.18.

y

.

Paso de la ecuación diferencial a la FDT

Respuesta temporal .......................•........•.. Operaciones básicas con bloques Bloques de primer y de segundo orden ...•..•.•...•.•••...

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..

.

33 33

Jó .Jó Jó

37 37

38 38

40 40 41 41 41 42 43 44

46 47

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3.8.

Representación gnlfiea de Ja FDT . .. .. • . . . .. . . . • . . . .. • • . • . 3 .8.1. Gráfioos de Bode . . . . . . . .. . • . . . . .. . . • . . . . . .. . • . 3.8.2. FDT de primer orden . 3.8.3. FDT de segundo orden .••...............•••....

3.2

Qmam) en !aro cerrado· Es13bílidad

Acciones bá1ócas de control y su implementación con controla-

3.10.

dores digitales . . . • • • • • . • . . • • • • • . . . . . . . • • . . . . • • . . • .

3.IO.I. 3.I0.2. 3.IOJ

Acción proporcional . . . . . .. .. . . . . . ,, ,, . . . . . ,, ,, . Acción integral

..

Acx:;jón derivativa . . . . . . . .

. . . . . .. . . .

3.10.4. ControladoresPID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Controladores todo o nada . . . . . . . . . . . . • . • . . . . . . • . . . . • . • . Elección del controlador óptimo .

3.11. 3.12.

.lJ.2.1

l?ar;lmettns, di: eyaluación . . . . . . . .

.

3.12.2. Camclerización de Ja planta . 3.12.3. Elección y optimizacióo del regulador . . . • . • . . . . . . • . 3.12.4. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . • . • . . . • . . • . Resumen .........................................•. Referencias ..............•........•........•......•.

3.13. 3.14.

48 48 48 50

53

56 57

58 52 (,()

60 61 61

62 62 63 64 64

PARTE 11: EL AUTÓMATA PROGRAMABLE 4. Arqultec:tara loterm del ....... .....................•........•. 4.1. Introducción . 41. Bloques eseocaíes de un autómata ....•.•.•....•.•....•.•. 4.3. Unidad central de proceso, CPU . 4.4. Memoria del au·iómata. .............•........•.......... 4.4.1. Memorias internas .........•........•.......... 4.4.2. Memoria de programa . 4.5. Inteñaces de entrada y salida . 4.6. 4.7. 4.8.

Fuente de alinlen.tación ............•........•.......... Resumen .....................•.•........•......•.•. Referencias

.

S. Odo de • ......_ •........, del llllámola y tCllllnll en dempo ftlll .......•...

S.I. S.2. S.3. S.4.

lntroducáón .......................................•. Modos de operación . Ciclo de funcionamiento . . . • • . • . . . . . . • • • . • . . . . • • • • . . . • • Chequeos del sistema . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . .. • . . . .. Tiempo de ejecución y control en tiempo real .....•......... Elementos de proceso rápido .. . . . . . . .. .. . . . . . . . .. . . . . . .. Procesado rápido de programas • • . . . . • • • • • . . . . . . • • • . . . . • •

s.s. 5.6. 5.1.

s 8.

5.9.

Cootadordealtavek>cidad , , , . Enuadas deteclOras de flanco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.11.

Reíerenáas

5.IO. 6.

Resumen ,,, •••••.

, .•••.••..

, ..•.••.......••.....•.•

.................•.................•.

··.·

del wt6ow••

61

.

lntmd1 •crión

61. 6.3. 64.

6.5.

Tipos de procesadores en Ja unidad central de prooeso .....•..• CoofJ&Umciooes de Ja unidad de control 6.3.1. Multiprocesadores centn!les 6.32. Procesadores periféricos ..••••......••.••....•••.

. .

lJnjdades de oontrol redundantes

.

, .. ,

Configuraciones del sistema de entradas/sal~ .6.S.t, fnuartas[saJidas centralizadas 6..S.2. E1m:ada¡ E~lRADAS

SISTEMA

•• VARIABLES 0E ENU:AOA

SALIDAS

DE COffTAOL

.,

-

---- ----SUBStSTEMAS ----

-----

""""" 1.S. ..--.

./

1 y,

...

y"' YAA1A8tES DE SA.lllA

,.·(· SI

.... :. f

ANÁLISIS

Si

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•f

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J

(Ei>

PREDICCIÓN DEL ~?AMIENTO

SAUDAS

ENTRADAS

Los sistemas o bloques lógicos podemos dividirlos en dos grandes categorías: combinacionales y secuenciales. Un sistema o bloque combinacional es aquel cuyas salidas dependen únicamente del estado de sus entradas, con total independencia de cuál sea el estado inicial de partida. Esta definición lleva impUcito que la función o funciones de transferencia del sistema son simplemente funciones lógicas que relacionan las salidas con las entradas mediante combinación de los operadores ..Y•. •O» y KNO». El nombre combínacional se deriva precisamente del hecho que las variables de salida dependen exclusivamente de la combinación de variables de entrada que se aplique.

FUNCIONES OE TRANSFERENCIA

SISTEMA J;¡ _........_

F\.INCK>NES O( TRANSFE:RtNCIA

Yt •t

Un sistema secuencial, en cambio, es

-

comportamiento (función do transferencia). • Identificar las entradas del sistema. • Determinar las salidas de cada uno de los componentes, según sus funciones do transferencia y las ínterconexiones entre ellos.

que posiblemente existirán multitud de combinaciones de componentes que en su conjunto den como rosullado la función de transferencia deseada. Como consecuencia, aun basando la síntesis en métodos sistemáticos, existirá siem-

La sínresl.r plantea el problema a la

berá resolverse mediante criterios de

inversa, es decir, se parte del comportamiento deseado de un sistema (especificaciones), generalmente indicando la respuesta ante determinadas con· diciones de entrada y se pretende di· sellar o construir un sistema que obedezca a dicho comportamiento. El proceso serla el siguiente:

resultar de una síntesis no es único, ya

pre una cierta indeterminación Que de·

tipo tecnológico o económico. Es en este punto precisamente donde la má· quina programable puede aportar enormes ventajas, ya que se trata de un componente con una configuración flsica (hardware) estándar en el que podemos elegir la función de transferencia mediante el software.

aquel cuyas salidas dependen de las variables de entrada y del propio estado inicial del sistema. Si tenemos en cuenta que cualquier estado puede ser tomado como estado inicial, se desprende que el sistema ha de ser capaz de memorizar todos y cada uno de los estados posibles. Dichos estados se memorizan mediante variables internas denominadas variables de estado. La denominación de sistema secuencial se debe precisamente a que el valor de las salidas depende de los estados de las entradas y de la secuencia anterior de estados en dichas entradas. Como ejemplo de sistema secuencial lomemos el circuito de la figura 2.7 y supongamos que se le aplica la siguiente sucesión de señales de entrada, partiendo del estado inicial A =O, B = o,

S=O:

• Dar la especificación del sistema, indicando las salidas dellC&das ante determinadas condiciones iniciales y

en.tracias. • Traducir dicha especificación a una función de transferencia global del sistema completo. • Elegir componentes de función de transferencia conocida o programable y obtener la función de transferencia deseada.

ESPt~IONES FUHtlONES OE

TR.ANSFERENCIA Sis f(Ei)

Vi

a

f C l' l

Obsérvese que el sistema que puede

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SÍNTESlS

E:L.ECCION DE

(Qt.4POHCHTES

COM&IH.M:ION DE ~

F UNCIONtS D( TRANSFERENO.A

HAAOWAAE Y SOFTWARE

DEL SJSTEMA

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ENTRADAS

ENTRADAS

SALIDA

SALIDA

M

RTI

1(3

1(3

RTI

RJ

K2

o o

o

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1

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1

1

1

1 a) Mando motor M3

b) Mando motor M2

ENTRADAS

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ENTRADAS

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1(3

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Kl

K2

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1

1

o

1

1

1

1

1

1

1

1

o

e) Mando motor M 1

d) Mando alarma AL

el automatismo (contactos, neumática, puertas lógicas, autómata programable, etc.). No obstante, de las ecuaciones lógicas puede deducirse de forma lnmediata !JI ínterconexíón de sistemas cableados o el programa de un autémata Un paso intermedio que puede ayudar a Ja implementación práctica, sobre todo en sistemas cableados, son los esquemas utilizando los símbolos lógicos convencionales definidos en el anexo l La figura 2.13 muestra dicho esquema para el ejemplo que hemos desarrollado. Obsérvese que, a pesar de que los

contactos de los relés térmicos son normalmente cerrados, en la expresión lógica aparecen sin complementar. Efecttvamente esto es asl porque el sistema de control debe recibir un ! lógico para indicar que no ha disparado el térmico. La detección de condiciones de alarma mediante contactos normalmente cerrados es una práctica común para asogurar que en caso de rotura del cable el sistema interpretará una condición de alarma y no se quedará sin protección como podrla ocurrir en el caso de utill28r un contacto normalmente abierto.

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2.5. DISEÑO DE AUTOMATISMOS SECUENCIALES 1'.n la práctica son muchos los procesos que implican la realización de una serle de actividades u operaciones, siguiendo una determinada secuencia. Dichas actividades y los dispositivos empleados para ejecutarlas pueden ser de índole muy diversa, incluyendo par· tes lógicas, analógicas, cálculos aritmélicos, manipulación de datos, etc., pero el desarrollo del proceso consiste casi siempre en una sucesión encade-nada de operaciones, cuya evolución se

controla mediante unas condiciones de

tipo lógico, que indican si el proceso puede continuar y cómo. Un diagrama de Oujo genérico para representar el funcionamiento de tales sistemas podría ser el de la figura 2.14. los automatismos que controlan este tipo de procesos no puede decirse que sean puramente secuenciales, sino que combinan partes combinacionales con partes secuenciales dando un sistema híbrido. l'.n realidad un sistema pura· mente secuencial no existe ya que, esuuctureímeme, Jos sistemas secuenciales están formados por bloques combinacionales y células de memoria (biestables) interconectados, tal como se indieó en !JI figura 2.8. No debe, por tanto, extrañamos que una de las he· rramientas básicas del diseño secuencial sea una vez más el álgebra lógica, aunque, como se verá, Jos métodos puramente algebraícos no bastan por si solos para el estudio completo de tales sistemas. Desde los años setenta han aparecido numerosos üüles para el diseño de sistemas Jógícos secuenciales. Algunos de ellos, presentados por diversos grupos de investigaci.ó.n, son de tipo analitico-teórico y otros, menos rigurosos, son de tipo más práctico. los primeros suelen tener poea implantación por su relativa complejidad para !JI mayoría de los usuarios y los últimos suelen ser. en general, muy dependientes de tecnologlas particulares y, por tanto, no aplicables de forma general. Uno de los métodos teóricos más conocidos para resolver sistemas seeuenciales es el método de l:luffinann (ver referencias [!] y (2)), que tiende a !JI obtención de las ecuaciones de un sistema lógjco con el mínimo número de

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scotan las transiciones por una

resultado un bit (1-condición verdadera, O-C:Ondición falsa).

linea cruzada sobre las lineas de evolución (figura 2.17). A4) Los reenvíos son s[mbolos en fonna de flecha que indican la procedencia o destino de las Uneas de evolución. Las flechas de reenvío permiten fraccionar un gráfico o evitan dibujar lineas de evolución con excesivos cruces. AS) Dos lineas de evolución que se crucen debe interpretarse, en principio, que no están unidas. Las reglas para cruces y bifurcaciones se explican en detalle en el apartado de estructuras del GRAFCET. A6) Cuando se recorre el gráfico de evolución, por cualquier camino posible, deben alternarse siempre una etapa y una transición. La regla básica de sintaxis del GRAFCET es que entre dos etapas debe existir una y sólo una condición de transición. bien entendido que ésta puede venir expresada por una función lógic.a combinacional todo lo compleja que sea necesario, siempre que d6 como

ETAPA INICIAL R•.-nv:o- - -

Téngase en cuenta que el gráfico funcional representa en forma estática un conjunto de situaciones posibles. Es posible, sin embargo, representar la situación dinámica en un instante dado, indicando qué etapa o etapas están activas y cuáles están inactivas. El simbolismo utilizado para ello consiste en marear con un punto las etapas activas (figura 2.18). Cabe señalar, finalmente, que los números de las etapas nada indican respecto a su orden de ejecución, sino que simplemente tieneo carácter de identificación. Como consecuencia, pueden numerarse las etapas de la forma que se desee, sin que ello tenga ningún significado desde el punto de vista funcional. B) MENSAJES DE INTERPRETA-

CIÓN. Estos mensajes pueden ser textos, símbolos o ecuaciones lógicas asociados a las etapas o transiciones para indicar la actividad desarrollada o las relacio.nes entre va.

Acciones E1APA t\

r

~ L t 011

1

1

ElAPA 1

l 112 ••..

1

-

r- ......... ,

' 1

t'

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T(n-1)tn.:

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-

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TAANSKIONES

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I

I I

/

Acciones

n l "' 1 (TAPA

t

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E lo pos \

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--- -- ,_ -

1?1121-ctopo.t.

'1\1 11 \

/O(l1..CS

1

12 1

r.,. __ lJ&

~.

uo

11

22 ~

I

• 1

,..i.._..a-.

E.stUo iautáneo •""

riables del sistema que deben cumplirse. Pueden distinguirse dos tipos de mensajes: B 1) Mensajes de acción asociados a cada etapa. Indican cuál es la actividad a desarrollar en dicha etapa cuando esté activa (ver reglas de evolución), bien sea en forma de texto o en forma de ecuaciones lógicas que indiquen la relación salidas-entradas (figura 2.17). 82) Mensajes de rttt>ptillidod asociados a cada transición. Estos mensajes indican las condiciones lógicas necesarias y suflcientes para pasar de cada eta· pa a la consecutiva o censecutívas (figura 2.17) . C) REGLASDE EVOLUCJÓN.

I I

L-----..J

_./

_ M.n-'Clj• de r•c•pt1Y•doc:I

-

~--------: Acciones ;

1

l.. .. , ... .J 1

E TAPA n

-

,.------..,

1

1

-

1 Acciones

1 ETAPA

-

-------

= O•(b•l"J

-

.,,. - -M•n10je- ~ occ.on

/

1

t

Estas reglas permiten defmir e interpretar de fonna univoca el comportamiento dinámico del sistema. Las hay que hacen referencia a las etapas y otras a las transiciones, por lo que algunas resultan redundantes entre si. A continuación damos una lista de las csen.ciales: CI) Cada etapa tiene asociada una variable de estado Xi de tipo bit, C2) Se distinguen dos posibles es-

R:e•nvío

..

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tados de una etapa: activo o inactiva. Diremos que una eta· pa está activa cuando su varía-

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•

cada una de las salidas a controlar son:

80

MARCHA

º'Oo ==I & SI

s1ss

"' s,

ª' ª' s,

O)

ª' s,

º' O)

s.

Os

º• s,

º• Os S¡

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¿

1

1

~·

:1

1:

....,

s R

G 0 G G 0

1:

••

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a,

s,

.,

:1

º' º• ª'

83

1: ::1 •• 1:

::1 ••

1: ::1

., 1: ::1

o) Esqutmo de lo por te secuencial

o.o 01

º' ºº

º•

1·· 1

D D

D , ..

••

·B+

·-

Electroválvula Electroválvula Electroválvula Electroválvula Electroválvula Electroválvula

A+: A-: B+: 8-: C+:

e-:

A+= Ql A- - QO + Q6 B+ = Q2 8- = QO + Q4 C+ = Q3 e- = QO + QS

l!I esquema de puertas puede verse

en la figura 2.246. En este caso, las acciones a desarrollar dentro de cada etapa resultan simples. pero en un caso general pueden resultar todo lo complejas que sea ne· cesado mientras se tra1e de acciones puramente combinacionales. 2.10. MACROETAPAS Y

REPRESENTACIÓN EN DETALLE Cuando se aplican las técnicas del

1

tJ

e+

e-

b) Esqutmo de lo porte comblnoc1onol

GRAFCBT a la solución de procesos

complejos, se empieza por representar un diagrama con las lineas principales a ejecutar en el proceso, definiendo grandes bloques de acciones denominados macroaaoas y sin desarrollar los detalles del proceso. El simbolo para representar una macroetapa es un cuadrado dividido en tres panes. En una de las panes puede colocarse un número. en otra la ideo· tificación de la macro y en la tercera una etiqueta (figura 2.25). Las macroetapas representan, pues, «tarCaS» y equivalen a lo que en cienos lenguajes se define como «macros».

Así, en nuestro ejemplo, la etapa 1 puede resultar activada a partir de la etapa O o de la etapa 6, con las correspondientes condiciones de transición. Esto queda expresado por la ecua· cióo lógica:

ma lógico de la parte secuencial del proceso (ver figura 2.24a, para el ejemplo que estamos desarrollando).

SET Ql - Q0 ·SI· S3 ·SS + Q6 ·SI

a desarrollar en cada etapa del proceso

La desactivación de la etapa 1, debe

zando las salidas de los biestables y

producirse tan pronto como se active la etapa 2; por tanto, la condición lógica es: RESET QI - Q2

Aplicando este procedimiento a cada

una de las etapas, se obtiene el esque-

B) Distño de Ja parte combinacional

Desde un punto de vista formal, una macrocU1pa no es más Que un conjunto de etapas agrupadas que se definen, posteriormente, en lo que se conoce como rtpmtntaclón en detalle o expansión de la macroet~pa (figura 2.26). El objetivo esencial de la macroetapa

En esta fase se diseñan las acciones

y se obtiene el esquema lógico, utllleventualmente otras condiciones adicionales. Los procedimientos empleados para obtener las ecuaciones lógicas serán en este caso los clásicos del álgebra de Boole para sistemas combinacionales. En el ejemplo que nos ocupa, ten,..

dremos que las ecuaciones lógicas para www.deingenieria.com

••

M ?O TttTO

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posibilidad de finalizar simultánea· mente todos los caminos, habiendo iniciado sólo uno. En la obtención

del esquema lógico

:

1

•

de la parte secuencial, las únicas etapas que merecen comentario son las que

se encuentran inmediatamente antes o después de la divergencia y convergencia, pues las demás son simplemente parte de una estructura lineal, que ya hemos estudiado. Así pues, en la figura 2.29 se han representado los esquemas de la parte de control secuencial correspondientes al gráfico de la figura 2.28, incluyendo sólo dichas etapas. Como detalles más significativos de la figura 2.29, puede observarse que:

- La desactivación de la etapa previa

a una divergencia se produce al activarse una cualquiera de las etapas siguientes, según una ecuación lógica en ~

_.., ... u~

tema contra!

..,z

¡¡•§..

~i..

Transcurrida la secuencia de inicia-

lizacién, y si no han aparecido errores,

8

s...

- arranque simultáneo oon la puesta en tensión, - arranque tras la puesta en tensión, - arranque desde el estado STOP.

- errores de hardware {conexlones 110, ausencia de memoria de programa, etc.), - errores de sintaxis (programa imposible de ejecutar).

f:)KuC:idn ptogtomo usuario

Servicio o

~rit4rico.

tllttr no.1

El reloj de guarda (.__.__[4]__.__.G]_s ....__.._G]__.__.17]'--1 _.___._[!]__.a-•

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I NOLEEA

1

RELt

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t t>), pues existen coitadas/salidas distribuidas a base de módulos compactos o a base de bastidores periféricos. No deben confundirse tampoco los conceptos de entradas/salidas distribuidas y control distribuido. ya que este último hace referencia a la unidad de control y no 11 las interfaces EIS. En el presente caphulo se discuten las configuraciones que pueden adoptar la unidad de control y el sistema de entradas/salidas, con sus ventajas e in-

conveniemes, y se enumeran los me·

6.2. TIPOS DE PROCESADORES EN LA UNIDAD CENTRAL DE PROCESO

Los autómatas programables ban tenido un rápido desarroUo desde las primeras máquinas lentas, compactas y con un limitado repertorio de instrucciones, hasta los modernos autómatas modulares, capaces de ejecutar todo tipo de operaciones en e1 programa y de comunicarse con rapidez y seguridad con el resto de elementos analógicos y digitales del proceso (figura 6.1). Los procesadores utilizados en la CPU han seguido una evolución paralela al aumento de complejidad de las tareas de control encomendadas al autómata, utilizando en cada momento los recursos que brindaba la tecnología microelectrónica, En la década de los setenta, la unídad central se construía alrededor de un microprocesador comercial están· dar, de 4 u 8 bits, utilizando ua intérprete programado que convertía las ins-

PRODUCCIÓN

y, en general, con sus propias interfaces

de EIS. Estos módulos se encuentran conectados a una unidad central (CPU principal, maestra, supervisora, etc.} que gestiona de forma general el sistema y permite el intercambio do datos entre los elementos, procesadores o interfaces, del mismo. En cuanto a la configuración del sistema de entradas/salidas, éste puede ser, a su vez:

DEL

OPERACIOh."ES LOGICAS

COMelNACIONAL.!$ V SECUENCIALES

1980 1990

IN1 EA,.ACES

AIO

PROCESADORES

tSPCCfncos TAATAMlttcTO OE OA.TOS

GESTIOI< D< PRODUCCIÓN ES'A°'STIC.A

1--------

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•

truecicnes del programa de usuario en instrucciones de dicho microprocesa-

dor. Esta solución, económicamente in· teresante, fue profusamente utilizada en pequeños autómatas compactos con menos de l28 puntos BIS y precio re· ducido, aunque presenta la desventaja de su baja velocidad, que lleva el tiempo modio de ~ecución de instrucciones a valores entre 10 y SO µs. En la década de los ochenta los mi· croprocesadores experimentan conti-

ouas mejoras en aspectos como Ion-

gitud de palabra, que alcanza los 16 o 32 bits, y velocidad de funcionamiento, que llega a decenas de megabercios. Además, integran en su interior memorias y puertos de comunicación que los convierten en pequeños rnlcroordonadores de bajo coste. Así, los microordenadores acruales de 8 a 32 bits (lme], Motoro!A, Hitachi, etc.) son perfectamente adecuados, en cuanto a rapidez y potencia de direccionamiento, para ejecutar un programa de usuario que haya sido traducido a las instrucciones de su lenguaje má· quina. Sin embargo, y a causa de su longitud de palabra, no resultan cómodos para el tratamiento de variables binarias (señales lógicas todo-nada). Por ello, y dado el tipo de funciones que debe elaborar la urtidad central, referidas a variables binarias de bit, o a variables digitales contenidas en palabras de 8 o 16 bits, la evolución del procesador llevó a la división de éste en dos unidades distintas, que coexisten en la misma CPU: - microprocesador de bit, - microprocesador de palabras.

Los primeros son respoosables de re-

solver las operaciones de combinación lógica o booleana entre variables de 1 bit. mientras que los procesadores de palabras son los encargados de ejecutar las ínstruciones digitales entre palabras de 8 o 16 bits, que contienen datos de operaciones aritméticas, señales analógicas convertidas a binario, etc. Los procesadores de bit se fabrican con tecnolog!a ASIC («Application Specific lntegrated Circuit>>) sobre dispositivos del tipo red de puertas («Gato Arra}'»), circuitos semifabricados que adoptan su configuración final bajo las

indicaciones particelares del fabricante del autómata, resultando un procesa· dor «a medida» («custom circuit»), perfectamente adaptado a las instrucciones básicas del autómata, con tiempos de ejecución menores de 1 µs/instrucción. Para los procesadores de palabras pueden utilizarse microprocesadores comerciales estándar, adaptados al len· guaje del autómata mediante un intérprete, o utilizar también circuitos ASIC a medida. Esta última opción es t~ nicamente más elegante y con ella se alcanzan mayores velocidades de operación sobre palabras, pe.ro el desarrollo de estos circuitos necesita mucho tiempo, y es dificil y caro, por lo que esta variante se encuentra sólo en algunos autómatas de altas prestaciones. Como ejemplo de una solución de mercado, la tabla 6.1 recoge la gama de procesadores de la familia de autómatas TSX 40, de Télémecanique, todos ellos máquinas modulares compatibles entre si Como se observa en la tabla, las ta· reas de ejecución del programa se di· viden en operaciones lógicas (1 bit) y tratamientos numéricos o de palabras (8116/32 bits). Se encarga de las primeras un procesador de bit especialmente concebido para operaciones booleanas, con alta velocidad de ejecución, míentras que los segundos, los cálculos nurnérícos, son ejecutados por procesa· dores estándar de tas series lotel.

--

UTÓMATA

CONC

Procesador booleano

Procesador numénco

Los pequeños autómatas actuales,

con un número reducido de puntos E/S y un repertorío elemental de instrucciones, utilizan un solo procesador mixto, de bit y palabra, integrado sobre dispositivos ASIC, lo que les permite reducidos tiempos de ejecución, me· nores de 5 µs/instrucción. Un ejemplo de estos autómatas extrarrápidos son los nuevos Siemens SS-90U y SS-9SU, que pueden verse en la figura 6.2. En el extremo opuesto del mercado, los grandes autómatas modulares de elevada potencia de proceso incorporan CPU en las que el reparto de tareas entre operaciones de bit y de palabra se completa aún más, subdividiendo el procesador de palabras en otros varios

especializados en diferentes funciones: - ejecución de operaciones aritméticas, - comunicación con las unidades de cntrada/satida, - proceso de temporizadores y contadores. etc.

De esta división se obtiene una arquíteetura de coprocesadores que resulta la solución idónea si se pretende optimizar al máximo el tiempo de respuesta de una unidad central de pro-

ceso.

La figura 6.3 muestra una configuración úpica de unidad central con coprocesadores. Cada procesador elabora

TSX 47/lil-) (7.6)

7

b) Esqutmo de un rotor slmplif1codo de 4 Sf'ttores C 16 posic1ones]

""'"' 1.1J. ,.... • ..,.,..,.

- Primario alojado en el rotor y, ea general, monofásico. - Secundario alojado ea el estator y, en general, trifásico. Para comprender el funcionamiento de un sincro nos referiremos a la figura 7.12, donde se representa esquemáticamente uno con las características antes indicadas (primario monofásico y secundario trifásico conectado en estrella), Cuando se aplica una tensión senoidal U, al devanado primario, se recogen en tos devanados secundarios de cada una de las fases tres tensiones, t,1, t.11 y t13, cuya amplitud y fase con respeclo a la tensión de primario dependen de la posición angular del rotor, se¡án indican estas ecuaciones:

•.a - "1 Uw sen .,, eos 9 (7.3) •• ., {211 ) t.t21 = n1 Uw sen 611 eos \T- 9

t',¡

= -n, n1

U1J1

sen

t.JI COS

(4"3 9) -

-

(7.5) Obsérvese que en caso de existir una sola fase, se obtendría una sola de las

La figura 7.13 muestra esquemáticamente la amplitud y signo de las tensiones en los devanados del estátor para diferentes orientaciones del devanado rotórico. En algunos servos de posición se utilizan pares de sincros en una confíguracién denominada transmisor-receptor o «maestro-esclavo» que permite generar una señal proporcional a la diferencia de ángulos de los dos sin· eros interconectados. Esta configuración encuentra su aplicación en servos de seguimiento, copiadoras, pilotos automáticos, etc., basándose en el siguiente principio (figura 7.14). El sincro maestro es alimentado por el rotor, al tiempo que dicho rotor es accionado mecánicamente siguiendo, por ejemplo, un contorno en el caso de copiadoras. El sistema trifásico de tensiones que genera el sincro maestro ali· menta el devanado estatórico del sincro esclavo y en el devanado rotórico de

(Prlmorlo) So

' S)

I

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(7.4)

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• •

este último aparece una tensión que

Si

••

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1

-i

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-

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••

••

1 2 J

••

-• e

1 2 J

S1

u, - K U, sen

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..

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-

''J

1

2

J

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sr

52

SJ

" ",, "

Ut

_, _

Una configuración particular de sincros es la de los resolver, cuyo principio de funcionamiento es análogo al indicado anteriormente, con las siguientes particularidades constructivas: - Primario alojado en el estator y generalmente bifásico. - Secundario alojado en el rotor, que puede ser monofásico o bifásico.

••

(ri< -

Asl pues, los resolver son sincros con una conliiuración distinta de devanados. En la figura 7.15 se ha represen· tado en forma esquemática una con· figuración típica. Los devanados del estator se alimentan generalmente en serie (sistema monofásico), dando un campo estacionario sobre el eje ; y los devanados del rotor (bifásico) recogen sendas tensiones de acuerdo con las ecuaciones 7.8 a 7.10: Uw ., =

1

~.-~¡ .,

cos (01

•

SINCRO· TRAKSMISOR

l'fu H """"'5

t.11

e

S1

,....,. 1.U.

depende de la desviación angular re· laliva entre los dos rotores, tal como indica la ecuación 7.7. Un sistema regulador de posición, que tienda a hacer cero dicha desviación, hará que el rotor del sincro esclavo siga exactamente los movimientos del sincro maestro, constituyendo lo que se Uama a veces un «eje eléctrico»:

,...__... ....__---.........---. ... __. ...~... --~--, ... 7----

.,

'-

bl Formo constructivo

ACOndklOl'IOdO( a. ftujo d• •ntrOóo y WP«'-• ~ rc;itor

11

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Rotor d• 4o t\lrb1no•klv•lociaod deo rotoci6n •• Pf"OPO'cionol ol c.oudGI J

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Perti d• V9klcid0d d• tt1.1)o 1Qm1nor

nivel de sólidos es poco frecuente, siendo más habitual su pesaje. De todas formas, Jos detectores de nivel más adecuados para sólidos son los de tipo capacitivo, los ópticos y los ultraséni-

cos,

7.14.1. Tran5""ctores

La detección de niveles de referencia

eereeee.

Ot\'Oflo«Js mo9nft!cos

tompues to de- \lf'll6n

(E), esta última captada por un par de electrodos situados en las paredes de un tubo. La f.e.m. obtenida es proporcional al campo inductor, a la distancia entre electrodos de captación y a la velocidad del fluido. Manteniendo constantes los dos primeros se obtiene una indicación de velocidad y, por tanto, para una sección y densidad constantes una indicación de caudal. El método de medida tiene la ventaja de no entorpecer el Oujo y, por tanto, no hay pérdidas de carga ni partes en movimiento. Por otro lado, es apto para

llquidos corrosivos o muy viscosos. Como inconvenientes podemos citar que las medidas pueden tener error si la tubería no está totalmente llena o si hay burbujas y que la f.e.m. depende de la permeabiUdad magnética del 11· qui do.

-""""'

figura 7.39.

,,,_.

7Jf. 7Na6raona •

faflll4J

todo o naobi

7.13.4. Me4ldores •olumétdco<

Para medir caudal de gases se suelen emplear métodos de medición votuméuícos intentando mantener presión y temperatura constantes. Como ejem· plos mis tlpicos de este tipo de transductores se tiene los de disco oscilante y los de lóbulos, representados en la

7.14. TRANSDUCTORES DE NTVEL

Los transductores de nivel se utílizan para conocer el estado de llenado de depósitos de Uquidos o sólidos en forma de polvo o granulados. Podemos distinguir dos tipos de detección de ni· veles: - Detección de varios niveles de referencia mediante un número discreto de transductores todo o nada. - Detección de tipo analógico, obteniendo una señal proporcional al nivel. Cabe señalar que la deteceeién de

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mediante dispositivos todo o nada puede basarse en diferentes principios, de· pendiendo, sobre todo, de si se trata de líquidos o de sólidos. Para líquidos es frecuente emplear Dotadores con un contacto de mercurio o, si el líquido es conductor, su nivel puede medirse por contacto entre dos electrodos sumergidos en él. En otros casos se detecta diferencia de temperatura entre un electrodo sumergido o no. Para el caso de sólidos o líquidos no conductores suelen emplearse métodos fotoeléctricos o detectores de proximidad capacitivos. 7.14.2. Trusdactores por pres16n

Una de las formas de obtener una indicación analógica de nivel de líquidos consiste en medir la presión sobre el fondo del depósito que Jos contiene. La diferencia de presiones entre el fondo y la superficie (PrPJ,es directamente proporcional al nivel (h) respecto a dicho fondo y al peso especifico (p) del líquido:

P¡-P,=ph

(7.30)

En tanques abiertos (figura 7.40) el

nivel es aproximadamente proporcional

••

••

1111 H

---..--_ __...--·--_..-_-..-.._-:.=--=-~= te-. ----. ----:=----------- -- -·--- - -----·.. ----------.-' ... --..:

111111

----======· - -- ------.-,~ ------.---- - --

_.

-

------ - ---

'Pr

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a la presión absoluta, ya que los cambios de presión aunosféríca suelen tener poca importancia, sobre todo si se

trata de líquidos densos. Para tanques cerrados. en cambio, es imprescindible utilizar transductores de presión díferencial.

',,,, -----------------.: 7=-=-==-=-=--=

-=-=-=-=--=-=-

7.14.3. Transductores por Dotador El método más fiel para detectar el nivel de líquídos consiste en el empleo de un flotador solídario a un sistema de palancas y unido a un sensor de dístanela o desplazamiento. La figura 7.41 muestra unos esquemas de principio para recipientes abiertos y cerrados.

7.14.4. Transductores ultrlSÓoicos Los detectores por ultrasonidos se basan, en realidad, en la medición de la distancia desde el fondo a la super· 6cie o desde el punto máximo a la su· perficie, empleando alguno de los métodos indicados en el apartade 7.6.6. El transductor emite un impulso de presión (ultrasonidos) que es reflejado por la superficie del material y recogido por un receptor colocado al lado del emisor. El tiempo total de ida y vuelta es proporcional a la distancia y a la den· sidad del medio (velocidad del sonido en el medio). La figura 7.42 muestra un esquema de principio del medidor. Este tipo de detector es apto también para detectar nivel de sólidos. 7.15. ACCIONAMIENTOS: CLASIDCACIÓN En la introducción hemos definido el accionamiento como aquel disposi-

Ftgw,. 1.,1. Tl'Wlf$4Üld0tatlr n~I por Mlrfwuottidos.

uvo o subsistema que se encarga de regular la potencia de una planta o de un automatismo. El accionamiento puede estar bajo el control directo de La parte de mando o puede requerir algún preacctonamtenta para amplificar La señal de mando. La gama de posibles accionamientos que puede controlar un autómata programable es enormemente extensa y variada. Entre los más habituales se encuentran los destinados a producir mu. vimiento (motores y cilindros). los des.

tinados a trasiego de fluidos (bombas) y los de tipo térmico (hornos, ínter-

cambiadores, etc.), Sin embargo, no es

nuestro propósito estudiar aquí moto-

res, bombas u otros tipos de accionamicntos convencionales, sino que trataremos preferentemente de los preac-

cíonamtentos y otras panes más direc-

tamente Ugadas al control, tales como servomotores, servoválvulas, etc.. que se pueden considerar como complementes del autómata en las funciones

de regulación. Para empezar podemos establecer una clasificación atendiendo a la tecnología o. si se quiere, dependiendo del tipo de energía empleada en el accionamiento. Según esto podemos distin· guir: - Accionamientos eléctricos. - Accionamientos hidráulicos. - Accio.namientos neumáticos.

- Accionamientos térmicos.

;:--====~~..;¡:.=-=-=~= --------~~ ..-..~

---------.::~~

Dentro d.e cada una de estas tecvez, accionamientos de dos tipos:

nologías encontramos, a su

- Accionamientos todo o nada. - Accionamientos de típo continuo.

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7.16. ACOONMUENTOS ELtCTRJCOS De alguna manera, todos los preac-

cionamientos que se conectan a los

autómatas suelen tener mando etéetrice, Pero dentro de este apartado nos referiremos únicamente a relés, con· tactores y servomotores de tipo eléctrico. 7.16.1. Relés y contactores Los relés y contactores son dispositivos electromagnéucos que conectan o desconectan un circuito eléctrico de

potencia aJ excitar un electroimán o bobina de mando. La diferencia entre relé

y cootactor está precisamente en la po-

tencia que es capaz de seccionar cada uno. Los relés están previstos para ac-

cionar pequeñas potencias, generalmento inferiores a 1 kW, mientras que los contactores pueden accionar grandes potencias (centenares de kilovatios). Los relés se suelen empicar como etapa previa paro accionar dispositivos más potentes como los propios con· tactores, electroválvulas u otros. El relé separa en general la parte de mando,

que trabaja con tensiones y corrientes

débiles, de la parte do potencia, con tensiones y corrientes más elevadas.

Muchas etapas de salida de autómatas utilizan relés cuya bobina va gobernada directamente por los circuitos electrónicos y que aportan la ventaja de aislar eléctricamente el circuito electrénico de los contactos de utilización. Las características más relevantes de relés y contactores son: - Tensión dt mando: Tensión de ali· mentación de la bobina de man· do. - Potencia de mando: Potencia necesaria para accionar la bobina de mando. - Tension de otstomtento. Tensión de prueba entre circuito de mando y contactos. - Tensiánde emptee, U,: Tensión de trabajo de los contactos de poten· cia, - Corriente térmica, lm: Comente máxima que pueden soportar los

u.:

contactos una vez cerra.dos sin

ser

brepasar los limites de calenta-

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miento. No debe confundirse con la comente de empleo. - Corriente de empleo, lit: Es la co-

rriente que el dispositivo es capaz

La tabla 7.4 da un breve resumen de las características más relevantes de relés y contactores de baja tensión.

de accionar e interrumpir para

7.16.2. 5en'OIJIOtOres

ga resistiva.

Los servomotores de son pequeñas máquinas especialmente diseñadas para control de posicionamiento. Aunque el principio de fuocioeamíento es el de una máquina de continua convencional con excitación independiente, su forma constructiva está adaptada a obtener un oomportaroiento dinámico rápido y estable y un par de arran-

cada tensión de empleo y oon car-

- Poder de corte: Se define por la

corriente que el relé es capaz de accionar e interrumpir para cada upo de carga (inductiva, capacitiva, motores, etc.) y para un número de maniobras determinado. Los tipos de servicio más fre-

cuentes según normas lEC son:

de CC

ce

que importante.

PARA RELÉS. DCI /: Mando de bobinas y electroimanes en general en

Por lo general, el inductor se encuentra en e1 estator y puede ser o bobinado o de imán permanente, El inducido, alojado en el rotor. se suele

ACll: Mando de bobinas y electroimanes en general en

construir de forma que presente una

corriente continua. corriente alterna.

PARA CONTACTORES. ACI: Conexión y corte de cargas resistivas.

inercia mínima. Constructivamente se

diferencian básicamente en la forma del rotor (figura 7.43). Las más habituales

son:

- Rotor alargado. - Rotor en forma de cesta. - Rotor de disoo.

A Cl: Mando de motores de CA

de rotoren cortocircuito, sin posibilidad de corte durante et arranque ni inversión a mo-

tor lanzado. A CJ: Mo.odo de motores de CA

de rotor en cortocircuito, con

posibilidad de corte durante el arranque e inversión de

marcha a motor lanzado.

AC4: Mando de motores de CA

con corriente limitada por re· sistencias, autotransformador u otros medios.

Rl!Lts

CARACTEJúsTICA

Y mando

ce

CA Wmando

u, u.

'·t, Poder de corte

ce CA

ce

Los dos primeros suelen tener un colector clásico de forma cilíndrica, míentras que en los de disco suele estar dispuesto en forma radial. El rotor de dichos motores de disco puede estar construido a base de circuito impreso o cable rígido con soporte de resina, dando una inercia propia extremadamente baja. Los parámetros esenciales de un servomotor de y las unidades de medida habituales son los siguientes:

ce

n

E, U, 1,

t/>,

velocidad (r.p.m.) fuerza electromotriz del inducido (voltios). tensión de inducido (voltios). corriente de inducido (amperios).

flujo inductor o excitación, en caso

de motores con bobinado de excitación es proporcional a la corriente de la bobina inductora. T, Constante de tiempo eléctrica L/R, (segundos). par motor (metros · newton). P potencia (vatios). K, constante eléctrica (r.p.m./voh.io). Su valor se puede obtener de la relación (n.../E-). K. constante mecánica, medida en metros newton I amperio. Se obtiene de la relación (C• ..JI,....).

c.

Las relaciones fundamentales entre

dichos parámetros para un servomotor

con excitación por imanes permanentes o excitación lndependierne y constante son las siguientes:

n • K E,• K, (U, - R, 1)

(7.31)

c. •

(7.32)

;.

K. 11

FiglllW 1,,J. Fonrt#I (04\~dwufkl roror ,,. k.non10toro ,,_

ce

o) Alorgodo

CO!>, como el rango de valores, para una tensión de entrada pennanente, que Ja in· terfaz interpretará como nivel lógico «O». Análogamente, se define el margen estático de ruido del ni· vel «I», como el rango de valores de tensión de entrada permanente que la interfaz interpretará como «l» lógico (figura 8.4). Para tensiones de entrada comprendidas entre ambos márgenes de ruido, la interfaz dará un estado lógico indetenninado y, por tanto, la señal de entrada podria ser interpretada erróneamente por el AP. Los márgenes de ruido dependen, en general, de la tensión

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8.4.1.

......

SOhdO

,

H1.,.1

1

1

Entnclas c1e

ce PNP

común de la intetfar. En las en-

tradas PNP dicho común de la in· terfaz debe conectarse al polo negativo de la fuente de alimentación de E/S. Esta conexién sólo debe hacerse en caso de utilizar una fuente de alhnentación separada del autómata, pues en caso de utilizar una fuente lntema suele estar hecha interiormente.

Las entradas de tipo PNP trabajan, como se ha dicho, con lógica posíuva, La conexión de las señales de campo (interruptores) a los terminales de entrada del autómata se efectúa como sigue (figura 8.6):

1

1

Nivel

'rv_, ...-

lcJgtcOO~--,_,<

M«~nde ruido 4tl nly•I

•o·

1----1 Norg•nM

ruioo del 1'11v•I ·1•

de entrada de la interfaz, siendo tanto mayores cuanto más grande sea aquélla. - Margtn de ruido dinámico: Aplicable a señales transitorias cuya duración es inferior a la constante de tiempo de respuesta de la interfaz. Para transitorios de corta duración, se admiten mayores fluctuaciones de la entrada sin que se interprete un cambio de estado lógico. Se definen entonces los márgenes de ruido dinámico para los niveles O y l como la máxima amplitud de perturbación de una cierta duración que no produce cambio de estado lógico a la entrad&- La figura 8.S muestra cómo el oívcl de ruido dinámico au-

- Se unen por un extremo todos los interruptores. Este extremo se co-

noce como común de rompo o común de intl!fTUproru y se conecta,

Este tipo de interfaces suelen trabajar con tensiones de 12, 24, 48 o 110 Voc· Algunas de ellas admiten un amplio margen de tensiones, por ejemplo de 12 a 48 Yoc o 48 a 110 V00 El estado de las entradas suele estar indicado por un diodo LEO que luce cuando éstas tienen tensión aplicada Esta iodícación es realmente útil para la comprobación y mantenimiento del equipo. Según puede observarse en los diagramas de bloques, cada entrada dispone de un fütro RC para conseguir

para la interfaz PNP, al polo positivo de la fuente de alimentación de E/S. - El otro extremo de cada uno de los interruptores se conecta a los distintos terminales de entrada del autómata (El, E2•...). - Internamente, en la interfaz, varios circuitos de entrada suelen estar unídos por un extremo, por lo que sólo se dispondrá de un terminal por entrada y uno común a todas ellas que se conoce como ,-...,_ 1.6. Ccw;riM • ÍllllltWlfOrf:S • S[.A.ALCS O[c.A)olPO

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.'-J.º

1 1 1

interfaz actóa como filtro.

COMÓN DE

•

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. __ _....__ +fl -

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1

1

1

INlE:RAUPTORES

1

In 1 1 1

duración, ya que el retardo de la

CC-IWf.

r----------------------, I INlERf"AZ ENTRADAS CC•PNP 1 1

menta para transitorios de cona

que aumenta el margen dioároíco de

át_,.,_ • eitn..,

1 El

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mayor inmunidad a perturbaciones . ya

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ruido. La constante de tiempo de dicho filtro suele oscilar entre 1 y IO ms, circunstancla que debe tenerse en cuenta para determinar el tiempo mloimo que debe estar presente una señal de entrada para que sea leída. Un aspecto importante a tener en cuenta si se utilizan detectores de proximidad con una interfaz de entrada PNP, es que éstos deben ser de CC tipo PNP y se conectan IJll como indica la figura 8.7. Para este tipo de detectores y, en general, para cualquier interruptor e. 8 mA 30 V >6 mA < 12 V < 2,5 mA 7-10 kll

entre 5 y 20 ms entre S y 20 ms 30a60k0

a

Máxima resistencia de linea

Típioo 500

Mhlma longitud U.nea sin apantallar

Tipioo 100 m

Aislamiento entre canales Aislamiento vs, bus Aislamiento vs. red

Tlpico 1500 V 04 (sólo optoacoplados) Tlpico 1500 V CA (sólo op10acoplados) Tlpioo 1500 V CA

Temperatura de trab;úo

5 a 55'C

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110.220 V >nV > 8 mA < 35 V y=~~~~j__.~J1~··~..,

1

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01

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rlCAOOR 8UF,.CR (()N

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1

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1 1

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L....1"---

en forma blnnna con n bits. en una tent;U)'O valor sea proporcional al valor numérico de dicha

--~---_,------uf--,- sión o una comente

REO

O a 10 V. O a 5 V.

O a 20 mA. 4 a 20 mA.

Ea los apartados siguientes se estudiarán con mayor detalle los dtslintos bloques de cada una de las interfaces. Aunque parezca un contrasentido, empezaremos por la conversión DI A. que es la que se empica en las interfaces de salida, yn que la conversión AID de entrada emplea. por lo general. un sistema realimentado que incluye también un convertidor DI A. 8.7. CONVERSIÓN OIA La conversión

O/ A consiste en

transformar una información digital, un www.deingenieria.com

Se denomina convertidor DI A unlpolar aquel cuya entrada es una palabra digital sin bit de signo, por lo tanto la salida será una tensión analógica que

va de cero a un \'alor máximo, pero

siempre con el mismo signo. El bloque básico para efectuar dicha conversión es el conveniuor de código binario a una tensión analógica. cuyo valor en íunción de la palabra binaria vendrá dado por la siguiente expresión: V.=

v.,, (B,·t'+B,. ·2 11

+ H, .2-1-"+ 81 • i-•¡

'+ ... + (8.1)

Siendo: B.., B,,._11, •••• BJ, 81• los bits de La palabra binaria a convenir, es decir. los unos o ceros de IA palabro bi-

naria. 8,. es el bit més s:ignifica1ivo (MSB) y B, el bit menos signifocnti· vo (l.SB). v.," es una tensión de re·

ferencia que, como se verá. se emplea

en el circuito de conversión.

Como puede verse de lo expresión anterior el peso del bit más significa· rívo, B•. es de In; el del siguiente. bit B,_1._ es l/4~ y así sucesivamente hasta el bit menos significativo 81 cuyo peso es 1 n ", AJ margen de la escaía, los pesos de cada uno de los bits conforme se avanza del LSB al MSB se van muítiplicando por 2, como corresponde al sistema de numeración binario. El esquema del convertidor O/ A para conseguir una salida como la indicada

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Por la ecuación (8.1) consiste simplemente en un sumador analógico donde cada bit controla la entrada de tensión en una rama de suma, conectándola a V..., o a O mediante un conmutador digital, según que el bit sea 1 o O (figura 8.17). Los pesos de cada bit se consiguen dando a cada rama una amplificación 112 de la anterior, siendo la ampUficación del bit más significativo (MSB} de In y la del bit menos significativo (LSB) do 112'. Otra pasible configuración del convertidor D/ A es la basada en una red de resistencias R, 2R, que se representa en Ja figura 8.18 y que se basa en la propiedad de dicha red de dividir la corriente par 2 en cada uno de los nudos, dando a cada bit, por tanto, un peso In

CA 4 o 8

Terminal común

Grupos de 4 u 8 entradas

Tensión de alimentadón Sobn11ensión colerablc C.Oncxióo a puo por cero Corriente de salida Intensidad transitoria

S - X, • (1-t") = • (1-1) - 112 • (I-ln') = 1_2_ (1-112)

obtiene, par tanto, una tensión máxima de salida cuando lodos los bita son 1:

_= v.,,. -

(t -2->

tipos

RElA Y l!STATICA

RELÉ. 1a

u .. Jso v ..

ESTÁTICA HUta 250 V04

NO

si

IOIO

IO'lú

la2AwgaR 10 A (4-0 ms máx.)

1Aa2A

20 A (200 ms máx.)

protección

de ciortodrcuito

Corriente mldUll (a O)

NO

2mAaSmA

NO

3VaSV

sólo fuga de RC Calda de tensión (a 1)

TiemPo de respuesta - Estado O a 1

- Estado l a O

Tlpico 15-20 ms Tlpico IS-20 ms

máx. 10 ms

S a IS Hz 1 a S Hz

10 a 2S Hz 10 • 25 Hz

Frecuencia m.binla de tra~ - Carga óhmica

- Carp inductiva

máx. 10 nu

si

LBD indicación de estado

En general

Aislamiento enue canales Aislamiento vs. bus

Tlpico ISOO V"" (sólo optoacoplados) Tlpico 1500 V04 (sólo optoacoplados)

Temperatura de trabo.lo

S a SS'C

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(8.. 4)

La forma de Ja tensión de salida obtenida en la conversión DIA, al ir incrementando de unidad en unldad la entrada digital, no es continua, ya que la señal digital de entrada es de par si

si (optoacoplador)

permjte

(8_3)

Para dicho convertidor de n bita, se

La expresión entre paréntesis corresponde a una serie geométrica de primer término X1=1/2 y de razón

NW:nero de salldAS/módulo

TIPo

La suma de dicha serie, Sr puede obtenerse por la fórmula:

v

CAJtACTEIÚSTICAS

Separación galvinica

,..1n.

del anterior, empezando par el MSB que tiene un peso de 112. Los conmutadores digitales, que se han dibujado, tanto en la figura 8.17 como en la 8.18, como interruptores, son en realidad conmutadores estáticos a base de transistores MOS. El valor máximo de tensión analógica a la salida se dará cuando todos los bita sean «l». Para una palabra de n bita, dicho valor máximo seria el siguiente:

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•

MtJltlpleAO.r lt

R.

8it• sele«iórt 9ononc10

• •

muestreo y en el mantenimiento de su tensión mientras dure la conversión. El circuito básico es el representado en la figura 8.23. En dicha figura puede observarse que durante la rase de muestreo se tiene S 1 cerrado y S2 abierto. El condensador C se carga a través de un seguidor de tensión con una impedancia baja, lo cual contribuye a que dicha carga se efectúe en un tiempo muy cono. Durante la fase de mantenimiento se bloquea SI y se cierra S2, con lo cual se pretende evitar la posible fuga del condensador, ya que A2 sigue actuando como un seguidor de tensión con baja impedancia de salida.

• ·1• +••

-v.,,

$2

.Y ESl ADO

MAHl[.NEA

-Va

---- ---SI

MUESTREO

e

Sl

8.IU. Con•enklom basados en

cootador

a) Convertidoresa base de contador unt-

dtrecaonat: Este tipo de convenidores constan

basados en contadores como los de aproximaciones sucesivas realizan un muestreo de la señal analógica como paso previo a la conversión. Como consecuencia do ello se obtienen sólo valores puntuales de la magnitud continua. En realidad la señal continua queda aproximada por una sedal escalonada. laJ como puede verse esquematizado en la figura 8.22. El circuito de muestreo, denominado abreviadamente S&H (•Sample and Hold»), adqulere el valor puntual de la señal analógica y, posteriormente, lo mantiene mientras dura la conversión. Dicho circuito estA basado en la carga de un condensador durante la fase de

bllslcamente de un contador binario, un convertidor DI A como realimentación y un amplificador operacional que compara la magnitud de la entrada analógica con el contenido del contador a través del convertidor DI A (figura 8.24). El funcionamiento del sistema es el siguiente: Se da una sedal de inicio de conversión, que pone el contador a cero y lo habilita para que entren Jos impulsos de reloj. A partir de esto el contador va incrementando su valor a cada impulso de reloj y el comparador comprueba si el valor del contador es mayor o menor que la señal analógica de emrada, Míentras sea menor se permitirá la entrada de nuevos impulsos

de reloj, pero cuando el contador llegue a superar el valor de la entrada se inhiben los impulsos de reloj y se genera una señal de fin de conversión. El contenido del contador en este instante será la palabra binaria que representa a la magnitud analógica de entrada. Obsérvese que por este método se obtiene siempre un valor digital por exceso, con un error máximo igual a la resolución del convertidor DI A, es de-

cir.

resolución= Valor de LSB =

V.,,.. 2-

(8.8)

Lógicamente el valor de la entrada debe ser inferior o, a lo sumo, igual al valor máximo de salida del convenidor DI A, de lo contrario el comparador no encontrará nunca el fin de conversión. Es decir, según la ecuación (8.4):

Eiu.w s V...,.. (1-2"")

(8.9)

EUgiendo precisamente una escala en la que el valor máximo de la señal de entrada sea E~·EtU.,.. se obtiene la máxima resolución relativa en porcentaje de E, Si la señal e_ es inferior a E.,,,, se obtendrá una resolución relativa menor:

RES(ll(oEJ = 100 · V...,,. 2E-.

(8.10)

La máxima resolución relativa refewww.deingenieria.com

11

11

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__

r-·•d

• •

L~nv~~o~ o~

1

1

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1

.... ,

----

1

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1----+~-} ~~:,a

Reloj

JIJL

r 1

---:-1-1

lnicJo Ot

convers.idn

1

El sistema actúa pues como un servo, intentando que la salida siga continuamente el valor de la entrada. Para señales de variación relativamente lenta, esto permite prescindir del circuito previo de muestree S&H, ya que la salida del contador seguirá en todo momento las variaciones de la señal analógica. La resolución del convertidor será la misma indicada para el tipo de contador unidireccional. La velocidad de respuesta para señales de variación lenta es óptima, ya que entre dos valores consecutivos e.xistin\ una diferencia mí· oima, que podrá ser compensada con unos pocos impulsos de reloj,pero ante un escalón de entrada de cero a e_ el retardo es idéntico al caso anterior, es decir, 2" impulsos de reloj. As( pues, aunque pueda parecer que eo todo momento se dispone del dato digital, existe un error de seguimiento, por defecto si la señal es creciente o por exceso si es decreciente.

-,

9MS

J

l__.i.-~---l~~-1-~~~l=i::ii:~_!!EOC - --

- ---

e•

----

--,

~lde flf'I de

1

Contador t>lnor10

convet'alón

1

Reset

1

L - - - - - - -,~dgtco-;,g;ot- __ _J

rida a la señal de entrada, se da cuando e,_,,.e.,,, y puede obtenerse sustituyendo en la ecuación 8.10 el valor E..., por E"'"' resultando: 2R.FS,,J."{oEJ = 100 · (l-2"") = =100·

1 2·- 1

y en él se observa que continuamente se compara la salida del convertidor DI A con la entrada analógica y se incrementa o decrementa el contenido del contador según que E, VI'

8.8.3. Convenldor de aprV1o E,.96 s - so lü

0,48 1 PI" SO IU

mú.

18 V • 7S V PW mú. 1 ms , re1ao16n do ... 10llld6a 1:20

mh.

OC 75 V/AC 60 V

JOVo7l VPt"m.lx. l m1 y lda en cable t:mlsor de .-ftal Supresl6n de lnieñctt:neia para

1- • · (S0/60 Hz :1: l'IOt); • -1. l.- en modo oomt\n (U,< 1 V)

- en modo normal (vik>r cresta de la lntetfercnda < vaJor nominal del margen) Umites de eeee búico ') (a 20'C)

nún. min.

Longitud del c:oble (tPaci6o

Gama de cnlnldas

Caractc.risticas esttticas

Gamas

. .

1

L·-·-·-·-·-·-·-·-·,,..,.

l.J/. 11*rf«: •

-""-

TSXAEM413

TSXAEM811

nl lOMO

Te

1

Ampfifkodor

Alim. captador

Sonda Error ± 10 V 04l'C 0110 V 4/lO mV

1

DIA

1

± 10 V ±SV 0110 V 015 V 2/10 V 012 V 0,4/l V 0120 V 4/20 mA

Te

generales

1 , •...,,.._.. ...

Número de vías

- . - . ;;-,"";¡;~)-,

¡

-1 mA ± 0,l'M> > 10 MO 16 bits

--

-0,ll'M> PE

-

--

•

--0,224M> PE --

± 10 V ± SV 0/10 V OIS V 2110 V 012 V 0,4/l V 0120 mA 4120 mA

-> 10 MO 16 bits O,ll'M> PE O,ll'M> PE 0,21'M> PE

± 10 V

-

0/10 V

--

--

0120 mA 4120 mA

-> 10 MO 16 bits 0,23'M> PE 0,1~ PE 0.24'M> PE

-

-

-

-

0,26'M> PE 0,26'M> PE 0,36'M> PE

0,3'11> PE 0,24'M> PE O,.m. PE

-

O~PB

-

--

22 dB 100 dB

30 dB 100 d8

22 dB 100 d8

22 dB 100 dB

-70 d8

--~ ,' ==t::l::j·

1 J

.2

10 11

u

13 14 15 16 17

18

19 20 21 22 23

24 25 26

27 28 29 .ll)

31

001

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'00.l

JXM JlQS

006 Dltl. 010 011 012

013 014 015 016 017 020

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023 024 02S 026 027 OJll 031 032 033

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067 070 071 072 073 074 07S 076 077

HCL

Cu.

N:

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89 91

92 93 94 95

NOTA: El bit .l (bit de pañdad) es cero "'