Área académica de ingeniería textil




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fecha de publicación25.08.2016
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL

ÁREA ACADÉMICA DE INGENIERÍA TEXTIL


descripción: sello institucional


CONTROLES ELÉCTRICOS Y AUTOMATIZACION
EE-621 / A
PERIODO ACADÉMICO 2014-I
TRABAJO
“INTERFACES DE ENTRADAS Y SALIDAS”

PROFESORA: Ing. Jorge Cosco Grimaney
REALIZADO POR:

  • Medina Requena Elvis

  • Muñoz Rodríguez Richard Félix

  • Vara Sánchez Fátima Gloria



FECHA DE ENTREGA DEL INFORME: 23/05/14


LIMA-PERÚ





Interfaces de entrada y salida

Misión:
Establecer un puente de comunicación entre el autómata y el proceso.
Las interfaces de entrada y salida son circuitos electrónicos que transfieren señales eléctricas entre la CPU del PLC y los sensores y actuadores que intervienen en el sistema automático.

Las interfaces de entrada reciben diferentes tipos de señales provenientes de sensores externos que oscilan entre 12 y 240 voltios AC o DC y entregan al CPU una señal completamente compatible con la circuitería interna del PLC, la cual es de tipo TTL con voltajes siempre entre 0 y 5 volts.

Por su parte las interfaces de salida, reciben las órdenes de la CPU en formas de señales TTL y entregan a su salida diversos tipos y niveles de voltaje y corriente para ser llevados a los actuadores.

Las interfaces de salida son las encargadas de decodificar, y amplificar las señales generadas durante la ejecución del programa antes de enviarlas a los elementos de salida.
TIPOS DE INTERFACES DE ENTRADAS Y SALIDAS
En los autómatas pequeños, el tipo de interfaces disponibles suele ser limitado, siendo las más frecuentes, clasificadas por entradas y salidas:


  • Entradas


Corriente directa a 24 ó 48 Vcc.

Corriente alterna a 110 o 220 Vca.

Analógicas de 0-10 Vcc. o 4-20 mA


  • Salidas


Por relé.

Estáticas por triac a 220 Vca máximo.

Colector abierto para 24 o 48 Vcc.
ENTRADAS


  • De Corriente Directa


Típicamente los módulos de cd se pueden conseguir para trabajar a 5, 12, 24 y 48 volts. Hay que asegurarnos de adquirir el que se apegue a nuestras necesidades basadas en el dispositivo de entrada a usar.

Los módulos de entrada de cd nos permiten conectar a ellos, dispositivos de tipo transistor ya sea PNP (suministro) o NPN (drenado).

Si estamos usando un interruptor regular (por ejemplo: un interruptor de palanca o un pushbuton) normalmente no tenemos que preocuparnos si lo alambramos como PNP o NPN.

La mayoría de los PLC’s no nos permiten mezclar dispositivos NPN y PNP en el mismo módulo. Por eso, cuando usamos un sensor (ojo fotoeléctrico, interruptor de proximidad etc.) siempre tenemos que verificar si su salida es ya sea NPN o PNP, si no está seguro verifique con el proveedor.

La diferencia entre estos dos tipos estriba en si la carga (en nuestro caso, el PLC es la carga) es conmutada a tierra o a voltaje.

Un sensor tipo NPN tiene la carga conmutada a tierra mientras un dispositivo PNP tiene la carga conmutada a voltaje.

Abajo se ilustra cómo se verían los sensores con salida NPN y PNP.


En los sensores NPN conectamos una salida a la entrada del PLC y la otra salida a la tierra de fuente de alimentación. Si el sensor no es alimentado con la misma fuente de poder que la del PLC debemos conectar ambas tierras juntas. Los sensores NPN son los más usados en Norte América.

Muchos ingenieros dicen que los sensores NPN son mejores (más seguros) porque la carga es conmutada a tierra.

En los sensores PNP se conecta una salida al voltaje positivo y la otra salida a la entrada del PLC. Si el sensor no está alimentado con la misma fuente de poder que el PLC debemos conectar ambos voltajes +V juntos. Los sensores PNP son los más usados en Europa.



Dentro del sensor, el transistor actúa simplemente como un interruptor. Los circuitos internos de los sensores le dicen al transistor de salida prenderse cuando un objetivo está presente. Entonces el transistor cierra el circuito entre las dos conexiones mostradas arriba. (V+ y la entrada del PLC).


El usuario solo tiene acceso a las terminales etiquetadas como COMMON, INPUT 000, INPUT 1111, INPUT xxxx. La terminal común puede estar conectada a +V o a tierra. Donde se conecte, depende del tipo de sensor usado. Cuando se usa sensores tipo NPN esta terminal es conectada a +V. Cuando se usan sensores tipo PNP esta terminal se conecta a 0V (tierra).

Un interruptor ordinario (limit switch, pushbutton, interruptor de palanca, etc.) podrían ser conectados a las entradas en forma similar. Un lado del switch se conecta a directamente a +V y el otro extremo va a la terminal de entrada del PLC. Esto es, suponiendo que la terminal común está conectada a 0V (tierra) , si la terminal común está conectada a +V entonces simplemente se conecta un extremo del switch a 0V ( tierra) y el otro a la terminal de entrada del PLC.

El opto-acoplador es usado para aislar la circuitería interna del PLC de las entradas. Esto elimina la posibilidad de que ningún ruido eléctrico entre al circuito interno. Estos trabajan convirtiendo señal eléctrica de entrada a luz y después regresando la luz de nuevo a una señal eléctrica para que pueda ser procesada por el circuito interno.


  • Entradas de CA

Ahora que entendemos cómo trabaja una entrada de CD, veamos como lo hacen las entradas de CA.

Un voltaje CA es no polarizado. Esto simplemente significa que no hay ni positivo ni negativo por la cual “preocuparse”. Sin embargo, al trabajar con voltajes ca pueden ser bastante peligrosos si no tenemos el suficiente cuidado.

Típicamente, se encuentran en el mercado módulos de entrada de CA a 24,48,110 y 220 volts. Asegúrese de adquirir el módulo que se apegue a sus necesidades basadas en el dispositivo de entrada (el voltaje) que será usado.



Hoy en día, los módulos de entrada de ac son menos comunes que los módulos de entrada de cd. La razón es que los sensores de ahora típicamente tienen salidas a transistor.

Un transistor no trabaja con voltaje ca. Lo más común es que los voltajes de ca sean conmutados a través de interruptores de límite u otro tipo de interruptores. Si en la aplicación se está usando un sensor, probablemente éste estará operando con un voltaje de cd.



Típicamente conectamos un dispositivo ca a un módulo de entrada de ca como se muestra en la ilustración de arriba.

Comúnmente el “vivo” se conecta al interruptor mientras que el “neutro” va al común del PLC. La tierra ca (el tercer hilo si lo hubiera) deberá conectarse a la terminal de tierra del gabinete del PLC (no se muestra en la figura).

Al igual que en cd, las conexiones en ca tienen un color de acuerdo a un código, para que cada terminal pueda ser identificada. Esta codificación varía de país a país en EUA es: Blanco (neutro), Negro (vivo) y verde (el 3er hilo de tierra física). Fuera de Estados Unidos el código más común es: Café (Vivo), Azul (neutro) y verde con una franja amarilla ( 3er hilo de tierra física).

El módulo de entradas de ca típicamente luce como éste:


A lo único que el usuario tiene acceso son las terminales etiquetadas como COMMON, input 000, INPUTxxx.... La terminal común se conecta al neutro.

Un interruptor ordinario podría conectarse directamente a las terminales de entrada. Un extremo del interruptor se conecta directamente al la entrada xxx y el otro extremo a la línea “viva “de CA . Esto es, suponiendo la terminal común conectada al neutro. Para seguridad siempre confirme con el fabricante sobre el correcto alambrado.

El opto-acoplador es usado para aislar la circuitería interna del PLC de las entradas. Esto elimina la posibilidad de que ningún ruido eléctrico entre al circuito interno. Estos trabajan convirtiendo señal eléctrica de entrada a luz y después regresando la luz de nuevo a una señal eléctrica para que pueda ser procesada por el circuito interno.

Típicamente al PLC le toma más tiempo ver una entrada de CA que una de cd. En la mayoría de los casos esto no les importante para el programador, ya que un dispositivo de entrada es típicamente un interruptor mecánico y los dispositivos mecánicos son bastante

lentos.

Un PLC comúnmente requiere que una entrada esté por lo menos 25 mseg. antes de poder ser visualizada. Este retardo es requerido por el proceso de filtrado que es necesario por el circuito interno del PLC.

Recuerde que la circuitería interna del PLC típicamente trabaja con 5 volts o menos. De CD.
SALIDAS


  • Salidas a Relevador

Ahora le toca el turno a hablar sobre las salidas.

Uno de los tipos más comunes de salidas disponibles, son las salidas a relevador. Un Relevador puede ser usado tanto con cargas de cd como con cargas de ac.

Una carga es tan solo una palabra elegante para llamarle a todo lo que se le conecte a nuestras salidas. La llamamos carga porque se está “cargando la salida” con algo. Si no conectamos carga a la salida ( esto es como hacer conexión directa a la fuente de poder) ciertamente podríamos dañar las salidas. Esto sería como remplazara un foco con un pedazo de alambre. Si se hace esto la “lámpara” tomaría una gran cantidad de corriente de la línea que por supuesto que tronaría el breaker, el fusible o tu cerebro.

Algunas formas comunes de cargas son solenoides, lámparas, motores, etc. Estas cargas vienen en todos los tamaños. Se refiere a tamaños eléctricos, por lo tanto, siempre cerciórese de las especificaciones de su carga antes de conectar a la salida del PLC.

Siempre debe asegurarse que su máximo consumo de corriente está dentro de las especificaciones de la salida del PLC. Si no está dentro de las especificaciones ( esto es que consume mucho más corriente) éste probablemente dañará la salida..

Algunos tipos de carga son muy “engañosos”. Estas cargas “engañosas” son las llamadas “cargas inductivas”. Estas tienen la tendencia de emitir una corriente de “regreso” cuando son encendidas. Esta corriente de regreso es como un impulso de voltaje que pasa por

el sistema . Esta puede ser riesgosa para la salida a relevador del PLC. Se estima que este “golpe” es de aproximadamente 30 veces la corriente nominal de la carga. Típicamente podría usarse un diodo, varistor o algún otro circuito “ snubber” para ayudar a combatir cualquier daño al relevador.


Arriba se muestra un método típico de conectar nuestras salidas a los relevadores del PLC Aunque nuestro diagrama muestra la salida conectada a una fuente de ca, también se puede usar CD.Un relevador es no polarizado y típicamente puede conmutar ya sea CA o CA.

Aquí el común es conectado a un extremo de la fuente de poder y el otro extremo de la fuente es conectado a la carga La otra mitad de la carga es conectada a la salida del PLC que se ha designado en el diagrama de escalera.



El relevador es interno en el PLC, el diagrama del circuito típicamente luce como el mostrado arriba.

Cuando nuestro diagrama de escalera le dice a la salida que se encienda, el PLC le aplicará internamente un voltaje a la bobina del relevador. Este voltaje permitirá que el contacto apropiado se cierre.

Cuando el contacto se cierra, se permite que fluya una corriente externa a través de nuestro circuito externo.

Cuando el diagrama de escalera le dice al PLC que apague la salida, simplemente quitará el voltaje del circuito interno que hará que el contacto de salida se abra. Nuestra carga simplemente encontrará un circuito abierto y esto hará que se apague.


  • Salidas a Transistor


Es importante recordar que el transistor solo puede conmutar señales de corriente en CD. Por esta razón no puede ser usado con voltajes de ca. Podríamos visualizar un transistor como un interruptor de estado sólido o más simple, como un interruptor eléctrico. Con una pequeña cantidad de corriente que le apliquemos a la base del transistor conmutamos un

Corriente más grande en la salida.

El PLC le aplica una pequeña cantidad de corriente a la base del transistor y la salida del transistor se “cierra”. Cuando se cierra, el dispositivo conectado a la salida del PLC se encenderá.. Claro está, que en la realidad todo esto es mucho más complejo.

También debemos tener en mente, como vimos anteriormente con las entradas, que generalmente hay más de un tipo de transistores disponibles. Típicamente un PLC tendrá ya sea salida tipo PNP o NPN.

El tipo físico de transistores usados varía de fabricante en fabricante. Algunos de los tipos más comunes son BJT y MOSFETs. Un tipo BJT (Bipolar Junction Transistor) frecuentemente tiene menos capacidad de conmutación (esto es, que puede conmutar menos corriente) que un tipo MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor- Field Effect Transistor).

Pero el BJT es generalmente más rápido de conmutación que el MOSFET.



Lo que se muestra arriba es como conectamos típicamente nuestras cargas a una salida tipo transistor. Nótese que es un transistor tipo NPN.

Si éste fuera uno tipo PNP, la terminal común estaría conectada a +V y –V estaría conectada a un extremo de nuestra carga. Nótese que ya que ésta es una salida de tipo cd, siempre debemos observar la polaridad apropiada para la salida.

Un extremo de la carga es conectada directamente a V+ como se muestra arriba.

Abajo se muestra el diagrama de un circuito de una salida tipo NPN.



Al igual con las entradas tipo transistor, hay un opto-acoplador que aísla el mundo real del circuito interno.

Cuando el diagrama de escalera lo invoca, el circuito interno prende el opto-acoplador aplicando un pequeño voltaje al lado del LED del optoacoplador.

Esto hace que emita luz y la parte receptora del optoacoplador lo verá y permitirá que fluya corriente. Esta pequeña cantidad de corriente prenderá la base del transistor de salida conectada a la salida 0500. Por lo tanto, todo lo que este conectado entre la salida

0500 y el común se encenderá.

Cuando el diagrama de escalera le dice a la salida 0500 que se apague, el LED dejará de emitir luz y por ende el transistor de salida conectado entre 0500 y COM se apagará.

Otra cosa importante a considerar, es que el transistor típicamente no puede manejar una carga tan grande como el un relevador. Si la carga a conmutar excede a la de especificaciones de la salida, se debe conectar la salida del PLC a un relevador externo. Y conectar la carga grande al relevador.

En conclusión, un transistor es más rápido, conmuta una pequeña cantidad de corrient, tiene un tiempo de vida más largo y solo trabaja con cd. Por otro lado el relevador es lento, puede conmutar una corriente grande, tiene un tiempo de vida más corto y trabaja tanto cd

como ac. Hay que seleccionar el apropiado de acuerdo a las necesidades de la aplicación.
ENTRADAS Y SALIDAS ANALÓGICAS
Módulos De Entrada Analógica:
Los módulos de entrada analógica son tarjetas electrónicas que tienen como función, digitalizar las señales analógicas para que puedan ser procesadas por la CPU. Estas señales analógicas que varían continuamente, pueden ser magnitudes de temperaturas, presiones, tensiones, corrientes, etc. A estos módulos, según su diseño, se les puede conectar un número determinado de sensores analógicos. A estos terminales de conexión (2), se les conoce como canales. Existen tarjetas de 4, 8, 16 y 32 canales de entrada analógica. Es importante señalar, que cualquier magnitud analógica que se desea procesar a través de los módulos de entradas analógicas, tiene que estar representada por una señal de tensión, corriente o resistencia; este trabajo es realizado por el mismo sensor o a través de un transductor (dispositivo que transforma cualquier parámetro físico, químico y biológico en una magnitud eléctrica). Estos módulos se distinguen por el tipo de señal que reciben, pudiendo ser de tensión (mV) o de corriente (mA) los que se encuentran dentro de ciertos rangos estandarizados. Los más difundidos son: Señal de corriente: 0-20 mA, 4-20 mA, ±10 mA Señal de tensión: 0-10V, 0-5V, 0-2V, ±10V La ventaja de trabajar con señales de corriente y no con señales de tensión, radica en que no se presentan los problemas del ruido eléctrico y de caída de tensión. http://www.instrumentacionycontrol.net/images/stories/curso_avanz_plc/13.jpg

http://www.instrumentacionycontrol.net/images/stories/curso_avanz_plc/14.jpg


Módulos De Salida Analógica:

Estos módulos son usados cuando se desea transmitir hacia los actuadores análogos señales de tensión o de corriente que varían continuamente. Su principio de funcionamiento puede considerarse como un proceso inverso al de los módulos de entrada analógica. Las señales analógicas de salida son de dos tipos, señales de corriente y señales de tensión. Dentro de los valores estandarizados tenemos: Señal de corriente: 0-20mA, 4-20mA, ± 20 mA Señal de tensión: 0-10V, ± 10V.

BUSES

  1. CONCEPTO

Un bus se puede definir como una línea de interconexión portadora de información, constituida por varios hilos conductores (en sentido físico) o varios canales (en sentido de la lógica), por cada una de las cuales se transporta un bit de información. El número de líneas que forman los buses (ancho del bus) es fundamental: Si un bus está compuesto por 16 líneas, podrá enviar 16 bits al mismo tiempo. Los buses interconexionan toda la circuitería interna. Es decir, los distintos subsistemas del ordenador intercambian datos gracias a los buses.

  1. CLASIFICACION DE LOS BUSES



    1. Según su ubicación física



  1. Bus Interno: Este mueve datos entre los componentes internos del microprocesador. Todas las partes del microprocesador están unidas mediante diversas líneas eléctricas. El conjunto de estas líneas se denominan bus interno del microprocesador. Por este bus interno circulan los datos (bus de datos), las señales de control (bus de control) o las direcciones de memoria (bus de direcciones). Cuando se habla de un microprocesador de 32 bits, se está diciendo que el número de líneas del bus interno es de 32.El bus interno puede compararse a los vasos sanguíneos del cuerpo humano. Así, por las diferentes líneas fluye la información, llegando o abandonando los registros y las memorias.



  1. Bus Externo: Este se utiliza para comunicar el micro y otras partes, como periféricos y memoria.



    1. Según su uso



  1. Bus de Direcciones: Este es un bus unidireccional debido a que la información fluye en una sola dirección, del CPU a la memoria o a los elementos de entrada y salida. El CPU solo puede colocar niveles lógicos en las n líneas de dirección, con la cual se genera 2n posibles direcciones diferentes. Cada una de estas direcciones corresponde a una localidad de la memoria o dispositivo de E / S. Los microprocesadores 8086 y 8088 usados en los primeros computadores personales (PC) podían direccionar hasta 1 megabyte de memoria (1.048.576 bytes). Es necesario contar con 20 líneas de dirección. Para poder manejar más de 1 megabyte de memoria, en los computadores AT (con procesadores 80286) se utilizó un bus de direcciones de 24 bits, permitiendo así direccionar hasta 16 MB de memoria RAM (16.777.216 bytes). En la actualidad los procesadores 80386DX pueden direccionar directamente 4 gigabytes de memoria principal y el procesador 80486DX hasta 64 GB.



  1. Bus de Datos: Este es un bus bidireccional, pues los datos pueden fluir hacia o desde el CPU. Los m terminales de la CPU, de D0 - Dm-1, pueden ser entradas o salidas, según la operación que se esté realizando (lectura o escritura). En todos los casos, las palabras de datos transmitidas tiene m bits de longitud debido a que la CPU maneja palabras de datos de m bits; del número de bits del bus de datos, depende la clasificación del microprocesador.

En algunos microprocesadores, el bus de datos se usa para transmitir otra información además de los datos (por ejemplo, bits de dirección o información de condiciones). Es decir, el bus de datos es compartido en el tiempo o multiplexado. En general se adoptó 8 bits como ancho estándar para el bus de datos de los primeros computadores PC y XT. Usualmente el computador transmite un caracter por cada pulsación de reloj que controla el bus (bus clock), el cual deriva sus pulsaciones del reloj del sistema (system clock). Algunos computadores lentos necesitan hasta dos pulsaciones de reloj para transmitir un carácter. Los computadores con procesador 80286 usan un bus de datos de 16 bits de ancho, lo cual permite la comunicación de dos caracteres o bytes a la vez por cada pulsación de reloj en el bus. Los procesadores 80386 y 80486 usan buses de 32 bits. El PENTIUM de Intel utiliza bus externo de datos de 64 bits, y uno de 32 bits interno en el microprocesador.

  1. Bus de Control: Este conjunto de señales se usa para sincronizar las actividades y transacciones con los periféricos del sistema. Algunas de estas señales, como R / W, son señales que la CPU envía para indicar que tipo de operación se espera en ese momento. Los periféricos también pueden remitir señales de control a la CPU, como son INT, RESET, BUS RQ. Las señales más importantes en el bus de control son las señales de cronómetro, que generan los intervalos de tiempo durante los cuales se realizan las operaciones. Este tipo de señales depende directamente del tipo del microprocesador



    1. Según su tecnología

La placa madre es la tarjeta más grande que se puede visualizar dentro de una PC y la más importante, ya que la misma contiene todo el circuito lógico principal para que funcione, además de alojar el procesador y otros componentes de suma importancia. Dentro de esta placa los buses de datos comúnmente llamadas ranuras de expansión ocupan gran parte de la misma. Estas ranuras indican la denominada arquitectura de sistema.

Los buses de datos sirven para instalar las placas controladoras que realizan función es específicas, como por ejemplo, la tarjeta de video, controladora de disco, placa de sonido, etc. A través de estos buses circulan datos y direcciones que serán tratados por los dispositivos y el procesador de acuerdo a un régimen de llamadas o interrupciones que indican desde donde provienen los datos o hacia donde deben viajar.

Buses ISA (INDUSTRY STANDARD ARQUITECTURE)

Las primeras computadoras personales estaban equipadas con ranuras de 8 bits, que para la velocidad de aquellos procesadores eran suficientes. Actualmente son lentas para los procesadores que existen.

Buses MCA (ARQUITECTURA DE BUS MICROCANAL)

IBM desarrolló la denominada (MCA). Basada en ranuras de expansión 32 bits, introdujo cambios de diseño y nuevos conceptos de gestión y funcionamiento del bus. El bus MCA es totalmente incompatible con los demás y de uso exclusivo de IBM. Por ello, quedó prácticamente en desuso.

Buses EISA (EXTENDED INDUSTRY STANDARD ARQUITECTURE)

Arquitectura estándar industrial extendida. Tiene características de la ISA en cuanto a su compatibilidad pero con la velocidad de MCA es decir, 32 bits.

Buses VESA (VIDEO ELECTRONICA STANDARD ASOCIATION)

Las ranuras VESA son una extensión de ISA. Incluye toda la tecnología de EISA, funcionan al ritmo del microprocesador y permiten la transferencia de datos sin necesidad de que estos intervengan permitiendo procesos mucho más rápidos y dejando mayor tiempo libre al microprocesador central.

Buses PCI (PERIPHERICAL COMPONENT INTERCONECT)

Interconexión a componentes perimetrales. Es de características similares a VESA, pero se distingue porque la conexión del bus con el microprocesador se efectúa por intermedio de un chip adicional que simplifica y suprime las limitaciones de la conexión directa.

Bus AGP (ADVANCED GRAPHICS PORT)

AGP o Puerto Avanzado de Gráficos. Se trata de un nuevo sistema para conectar periféricos en la placa base del PC; es decir, es un nuevo bus por el que van datos del microprocesador al periférico.

Card Bus y PC Card (comúnmente PCMCIA)

Las computadoras portátiles tienen dos slots para adaptadores de "credit card". Esta interface fue llamada "PCMCIA", hoy también se conoce como "PC Card.". Estos son pequeños, caros y más lentos que los ISA y EISA.

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