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).