En la entrada anterior vimos las entradas y las tarjetas de
entradas así como los voltajes más comunes. Ahora bien, que son exactamente las
cosas o dispositivos que podemos conectar a las tarjetas?.
Si bien, existe una amplia
variedad de sensores y dispositivos de entrada, veremos los mas comunes así
como una pequeña explicación de su funcionamiento.
Las
señales lógicas son del tipo ON/OFF (Encendido/Apagado, Verdadero/Falso.
Si/No), por ejemplo, el switch que sirve para encender la luz de la casa es una
señal lógica, ya que, accionamos el switch y se enciende la luz, quitamos su
acción y se apaga.
Los
sensores son los ojos del proceso, con ellos podemos saber el estado en el que
se encuentra nuestro proceso, ellos nos proveen una señal lógica con la cual
podemos saber si una acción se cumplió o no se cumplió, por ejemplo, ¿llego el
cilindro hasta su posición inicial?, ¿interrumpió el operador la cortina de
seguridad?
Los
actuadores vendrían a ser las manos del proceso, ellos ejecutan el proceso,
pero al igual que los sensores, si un actuador es lógico, entonces su acción será
del tipo hacer o no hacer, por ejemplo, mover el cilindro hasta su posición
inicial.
Existen
otro gran tipo de señales: las análogas o continuas en el tiempo, pero esas están
fuera de este post. El hecho de mencionar las señales análogas, es para
hacer hincapié, en que las digitales son las más fáciles de manejar en el
ambiente industrial, y en que son por mucho, las más extendidas en la
industria.
Tipo de señales
Switchs
La
forma más simple de señal son los switch mecánicos, ya sea que funcione como
una entrada hacia el PLC o como una salida por medio de un relevador.
Transistor-Transistor Logic (TTL)
Este
tipo de lógica está basada en dos niveles de voltaje, 0 VDC para la señal de
falso y 5 VDC para la señal de verdadero. Aunque los voltajes pueden variar un
poco más arriba de 0 VDC hasta un poco arriba de 5VDC, serán bien detectados.
Las señales TTL son ampliamente usadas en los circuitos internos de las
computadoras y en algunos otros dispositivos electrónicos, pero se debe evitar
su uso en aplicaciones industriales ya que es muy susceptible a los ruidos de
la industria.
Para
usar lógica TTL en un PLC se requieren tarjetas TTL, y como son de uso poco común
en la industria, tampoco nos vamos a extender, que nos baste saber con qué
existen y se pueden usar.
Sinking y Sourcing
Sinking
(drenado), son dispositivos que admiten la circulación de corriente hacia
dentro de ellos a través de un transistor NPN y después hacia el común.
Sourcing (suministro), son dispositivos que permiten la circulación hacia
afuera de ellos a por medio de un transistor PNP. Hay que tomar en cuenta que
en ambos, el enfoque es la corriente, no el voltaje, ya que muchos de los
ruidos eléctricos pueden ser evitados y/o suprimidos al utilizar corriente.
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| Sensor NPN |
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| Sensor PNP |
El tipo más utilizado es el sensor PNP ya que se podría
decir que es lógica
normal, ya que al detectar algún fenómeno su salida se activa.
Cuando se diseña una máquina, una de las partes más
confusas es al momento de conectar los sensores a las tarjetas, ya que cada
fabricante nombra las cosas de distintas maneras, entonces lo importante es ver
las terminales de las tarjetas, si vemos que la tarjeta tiene solo el +V
entonces la tarjeta es tipo sinking (drenaje, NPN, NC o lógica inversa), pero
si vemos que tiene una terminal COM, entonces la tarjeta es sourcing
(suministro, PNP, NO o lógica normal).
Físicamente, los sensores por lo general tiene 3 cables, y
existe algún estándar para esto, ya que por lo general el cable color café es
para alimentar (+V) el sensor, el azul es para el común (COM), el negro para la
salida PNP, y el blanco para la salida NPN. Algunos sensores tienen 4 cables,
esto quiere decir que tiene los dos tipos de salida (sinking y sourcing).
Detección De Presencia
Existen dos formas básicas de detección, por contacto mecánico
y por aproximación. Por contacto mecánico, quiere decir que existe una fuerza
resultante entre el sensor y la parte a sensar, lo que también implica desgaste
y otras cuestiones mecánicas. Y por aproximación, quiere decir que el objeto está
cerca del sensor, y no es necesario el contacto mecánico.
Por Contacto (switch mecánico)
Los switch de contacto o limit switch, esta disponibles en
NO y NC. Sus cubiertas o carcasas están especialmente diseñadas para soportar
fuerzas mecánicas. Su uso es muy limitado ya que el tamaño, la conexión, el ajuste de
las palancas de activación, y otro montón de características hacen que cada vez
se utilicen en aplicaciones muy específicas donde otros factores no permiten la
utilización de otro tipo de sensores.
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| Ejemplos de Switchs Mecánicos |
Por Proximidad (Reed switch)
Los Reed switch o switch magnéticos, aprovechan el mismo fenómeno
que los relevadores, un campo magnético que cierra un contacto, pero a
diferencia de los relevadores, los Reed switch se valen de un imán. Un imán en
la parte móvil, provocara que al acercarse a la parte fija, el campo magnético
del imán afectara y cerrara los switch de la parte fija.
Fotoeléctricos
Los sensores fotoeléctricos (fotoceldas o sensores ópticos) funcionan detectando luz. La forma más básica de estos sensores se utilizan
desde hace más de 100 años, las primeras fotoceldas se utilizaron para leer los
tracks de audio en las películas (las que se grababan en cintas ópticas, no las
de estas fechas que van en una memoria). Se requiere de un emisor y un
receptor, el emisor genera un haz de luz (que puede ser visible o invisible) el
cual se produce a través de un LEDs o diodos laser. Los receptores son
construidos con fotodiodos o fototransistores y detectan el haz de luz
producido por el emisor. El emisor y el receptor son posicionados de tal manera
que un objeto entre ellos dos provoca que el haz de luz no sea detectado. La siguiente figura muestra el
funcionamiento básico de un sensor fotoeléctrico con sus dos partes.
Existen
distintos tipos de configuraciones físicas para estos sensores. Cuando el
emisor y el receptor son dos piezas separadas se le conoce como “fotoeléctrico
de barrera”, esta configuración es especialmente funcional con objetos muy
opacos o muy brillantes y se pueden instalar con una separación de más de 20
metros.
El
hecho de utilizar los sensores fotoeléctricos en modo barrera, requiere que
sean dos piezas separadas (emisor y receptor), lo cual incrementa el
mantenimiento y requieren alineación. Existe otra configuración conocida como
retroreflectiva, con esta configuración el emisor y el receptor se encuentran
en la misma pieza, pero sigue requiriendo una pieza adicional que es el
reflector, el cual es construido con cristal polarizado y con ángulos a 90
grados, lo cual permite girar la fase de la luz en 90 grados, de modo que si un
objeto refleja la luz en la misma fase el sensor no detecte. La ventaja es la
poca alineación que requiere, la desventaja es que pueden existir objetos que
reflejen la luz con la fase girada 90 grados.
Existe
otra configuración, la cual requiere solo el sensor, esta configuración es
conocida como difusa, o sensor reflectivo difuso. Esta configuración utiliza
luz enfocada en un rango específico y un potenciómetro de ajuste para la
distancia. Esta configuración es la más fácil de instalar, pero requiero
condiciones muy específicas de luz y color, ya que por ejemplo en piezas de
distintos colores dará muchos problemas.
Existe
un tipo de sensores de barrera muy especial, que son las cortinas de luz, estas
son utilizadas para aplicaciones de seguridad y son soluciones económicas para
evitar poner un vallado o puerta mecánica. Las cortinas de luz no son más que
una hilera de emisores por un lado y receptores por otro lado, en los modelos más
antiguos si se interrumpe uno solo de los sensores se emite un salida indicando
que algo atravesó la cortina, en los más modernos se pueden seleccionar “zonas
de muting” que son zonas que aunque algo se atraviese será ignorado.
Capacitivos
Estos sensores son utilizados para detectar materiales
aislantes, como plásticos, los cuales tienen un alto coeficiente dieléctrico,
lo cual hace que se incremente la capacitancia. Pero también pueden ser
utilizados para detectar metales a que se puede usar el material conductivo
como si fueran electrodos. El fenómeno detectado (capacitancia) varía en orden
de los pF.
Demos un vistazo a la fórmula de la capacitancia:
Donde:
C=Capacitancia en faradios
k=constante dieléctrica
A=Área de placas
d=Distancia entre placas o electrodos
El los sensores el de las placas y la distancia entre ellas
es fija, pero, la constante dieléctrica variara dependiendo del material que se
acerque al sensor. Esta variación en la capacitancia es la que detectamos.
Inductivos
Los sensores inductivos utilizan corriente inducida por
campos magnéticos para detectar objetos de metal cercanos. Los sensores
inductivos utilizan una bobina (inductor) para generar un campo magnético de
alta frecuencia. Si un objeto de metal se acerca al campo magnético, la
corriente fluirá hacia el objeto (Corrientes de Foucault). Este flujo de
corriente genera un nuevo campo magnético que se opone al campo original, esto
genera una reducción en la inductancia en el inductor, midiendo esta
inductancia es como el sensor “sabe” que un metal se acercó.
Ultrasónicos
Los sensores ultrasónicos emiten un sonido que sobrepasa
los 16KHz, por lo cual no puede ser escuchado por el oído humano. El tiempo que
tarda el sonido en viajar hacia el objetivo y regresar es proporcional a la
distancia a la cual se encuentra el objetivo.
Estos sensores son muy efectivos para medir niveles de
fluidos y distancias.
Efecto
Hall
Los switchs de efecto hall son básicamente transistores que
pueden ser activados por campos magnéticos. Sus aplicaciones son muy parecidas
a la de los Reed switch, pero al ser de estado sólido son más resistentes.
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