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Introducción
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Este es el primer episodio de una serie de 8 partes.
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Esta serie se centra en los controladores lógicos programables, o PLCs, como se les conoce comúnmente.
¿Qué es un PLC te preguntas?
En resumen, es un dispositivo de control industrial programable de propósito general.
Se utilizan en toda la industria en fábricas, servicios públicos y en cualquier lugar donde sea necesario controlar máquinas industriales.
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Son un sistema completamente integrado de hardware, software y entorno de desarrollo diseñado específicamente para equipos industriales automáticos.
Probablemente sea más fácil describirlas proporcionando primero un poco de contexto histórico sobre lo que las precedió.
Los primeros días de la automatización
Es probable que hayas oído hablar del telar Jacquard del siglo XIX temprano y su uso de tarjetas perforadas con respecto a ser una de las tecnologías que eventualmente llevaron a la computación.
Sin embargo, para nuestros propósitos aquí, su importancia es que fue una forma temprana de sistema de control de automatización industrial, ya que después de todo, estaba controlando una máquina en una fábrica.
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Para otros tipos de máquinas, un medio puramente mecánico común para que las diversas partes de una máquina compleja se muevan de manera coordinada era el uso de ejes y pernos.
Una serie de pernos ubicados en un eje o conjunto de ejes conectados por engranajes, podían mover partes de una máquina, abrir o cerrar válvulas y, en general, coordinar las partes de una máquina.
Con la propagación del uso de la electricidad en las fábricas a principios del siglo XX, ahora era posible utilizar la nueva tecnología eléctrica para realizar funciones de control y automatización.
El contexto de la lógica de relés
Deberé explicar algunos términos electromecánicos aquí, ya que es necesario comprender estos términos y los conceptos detrás de ellos para entender los PLC, ya que estos últimos son una evolución de sus predecesores y utilizan los mismos términos.
Lo que precedió a los PLC fue lo que comúnmente se conocía como "lógica de relé".
¿Qué es un relé?
Un relé es un dispositivo electromecánico que responde y controla el flujo de corriente eléctrica.
Un relé tiene un "móle" que, como su nombre lo implica, es una bobina de alambre conductor.
Cuando se energiza el móle, es decir, se aplica corriente eléctrica a él, forma un imán electromagnético.
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Este imán electromagnético atrae un armazón.
El armazón es una pieza móvil de metal que se atrae al móle cuando este último se energiza.
La activación del relé se denomina cierre.
Desactivar se conoce como abrir.
Los nombres alternativos para estos estados son "atrae" y "se desvanece" respectivamente.
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El armazón, a su vez, está unido a uno o más contactos.
Puedes pensar en un contacto como si fuera un interruptor.
Cuando el interruptor se gira en una dirección, la trayectoria eléctrica se cierra y la corriente puede fluir.
Cuando se gira en la otra dirección, la trayectoria eléctrica se rompe y se interrumpe el flujo de corriente.
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Los contactos pueden ser normalmente abiertos, en cuyo caso la trayectoria se cierra y la corriente puede fluir cuando el relé se activa.
Alternativamente, pueden cerrarse normalmente, en cuyo caso el camino se cierra y puede fluir la corriente cuando el relé se apaga.
Un relé puede, y normalmente lo hace, tener múltiples contactos, incluyendo tanto abiertos normalmente como cerrados normalmente.
Recuerda estos términos: bobina, contacto, abierto normalmente y cerrado normalmente.
¿Qué es un relé de retención
Existe un tipo especial de relé conocido como relé de retención.
Esto solo se utilizaba ocasionalmente en circuitos de control de relés, pero los conceptos detrás de él serán más importantes cuando hablamos de PLCs reales.
Un relé de retención tiene dos bobinas.
Una bobina se utiliza para encender o "establecer" el relé.
La otra bobina se utiliza para apagar o "reiniciar" el relé.
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El relé cuenta con un mecanismo de bloqueo mecánico o un imán que se utiliza para mantener el relé en la posición establecida (o, en otras palabras, cerrada) incluso si la bobina de alimentación se desactiva.
Debe energizar la bobina de reinicio para reiniciar o "abrir" el relé.
Un relé de bloqueo proporciona lo equivalente a un "bit" de memoria que retiene su último estado incluso si se apaga la alimentación de la máquina.
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Los relés de bloqueo se utilizaban en aplicaciones donde era importante que el circuito lógico del relé recordara su último estado.
Aunque no se utilizan con frecuencia en circuitos de control de relés debido a su mayor costo y complejidad, el concepto debía usarse de manera más extensa en programas de PLC cuando se proporcionaran instrucciones de configuración y reinicio que realizaran la función equivalente en software, sin las mismas consideraciones de costo.
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Por lo tanto, las instrucciones de configuración y reinicio debían usarse mucho más frecuentemente en programas de PLC que cuando se trataba de relés reales.
Agregue estos términos a su lista de cosas por recordar: bloquear, desbloquear, configurar y reinicio.
¿Qué es un contactor?
Ahora mencionaré otro término por si surge más adelante.
Esto es un "contactor".
Un contactor es básicamente solo un relé de gran tamaño.
Se utiliza típicamente para controlar cargas eléctricas grandes, como motores y calentadores.
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Los relés más pequeños suelen llamarse simplemente "relés", o a veces "relés de control".
Estos se usan para crear circuitos lógicos o controlar cargas eléctricas más pequeñas, como luces o válvulas neumáticas o hidráulicas.
Esto puede parecer mucho jerga, pero aguanten, haré analogías con computadoras cuando sea apropiado.
17 Dispositivos de Entrada y Salida
Si quieres hacer algún trabajo útil, necesitarás algunos I/O.
Los dispositivos de entrada típicos incluyen los siguientes.
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Botones de pulsación.
Estos son botones que son presionados por el operador para ordenar a la máquina que haga algo.
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Conmutadores selectores.
Estos son conmutadores que generalmente se rotan para encender o apagar y mantienen su posición.
Estos pueden tener múltiples posiciones, cada una de las cuales puede activar una entrada separada.
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Luces de piloto. Estas luces se utilizan para proporcionar retroalimentación al operador.
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Interruptor de límite.
Estos son interruptores mecánicos que activan partes de la máquina, en lugar de que el operador los active.
Esto se puede utilizar para determinar la posición de las diversas partes de la máquina en cualquier momento dado.
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Sensores de proximidad.
Estos son esencialmente interruptores de estado sólido que son más fiables que los interruptores mecánicos, ya que están menos sujetos al desgaste.
A menudo se abreviaturan coloquialmente como "proxies".
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Válvulas solenoides.
Estos son como relés en el sentido de que se activa un devanado electromagnético.
Sin embargo, en lugar de activar otro contacto eléctrico, activa una válvula neumática o hidráulica.
Esta válvula, a su vez, permite típicamente que el aire o el fluido hidráulico muevan un pistón dentro de un cilindro, lo que luego mueve una parte mecánica de la máquina.
Una máquina típica tiene muchos sensores de proximidad y válvulas solenoides.
24 Lógica de Relés
Todas estas entradas y salidas requieren algún tipo de lógica para coordinarlas.
Aquí es donde entran los relés de control.
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Si tener la salida de un dispositivo eléctrico que controla otro dispositivo eléctrico suena un poco como un transistor, entonces sí, los relés son análogos a los transistores electrónicos.
Sin embargo, aunque los transistores son una invención del medio siglo XX, los relés datan del medio siglo XIX.
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Al igual que con los transistores, es posible codificar lógica en una red de cables que conectan relés juntos, junto con entradas de interruptores y otros dispositivos de entrada.
Al conectar sensores y relés en el orden correcto, es posible crear secuencias de funcionamiento razonablemente complejas para controlar una máquina de manera automática.
27 Lógica Booleana de Relés
Conectar contactos de relé en serie crea condiciones de "y".
Conectarlos en paralelo crea condiciones de "o".
Utilizar contactos de relé normalmente cerrados crea condiciones de "no".
Al devolver los contactos propios de un relé a la circuito que conduce a su bobina, es posible que un relé recuerde su propio estado.
Cada relé podría considerarse como un bit de lógica en un circuito lógico booleano.
28 Temporizadores y Contadores
Relés de temporización especiales podrían utilizarse para crear un retraso temporal entre el momento en que el relé se energiza o desenergiza y el cierre o apertura de los contactos.
Un relé de temporización que impone un retraso después de ser energizado es un "temporizador de encendido".
Un relé de temporización que impone un retraso después de ser desenergizado es un "temporizador de apagado".
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Los relés de temporización a menudo eran neumáticos.
Tenían un pequeño resorte de goma que dejaba escapar aire lentamente a través de un orificio ajustable.
El resorte impediría que el relé se abriera o cerrara, dependiendo del tipo, hasta que se hubiera escapado suficiente aire para que se cerrara o abriera.
Para una mayor precisión o para retrasos más largos, se podrían utilizar temporizadores accionados por motor.
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Relés contadores especiales podrían utilizarse para requerir una entrada para encender o apagar un número especificado de veces antes de activar las salidas del relé.
Los contadores solían utilizar un mecanismo de ratón para contar hasta un valor predeterminado antes de activarse.
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Más tarde, los relés de temporización y conteo utilizaron temporizadores y contadores electrónicos, pero estos llegaron relativamente tarde, en un momento en que la lógica de relé estaba en declive.
32 Paneles eléctricos
Un gran número de relés se montarían en paneles en grandes compartimentos eléctricos, con los cables corriendo entre ellos, y también hacia los interruptores límite, válvulas y otros dispositivos montados en la máquina.
33 Diseñando el circuito lógico
La lógica o programa se codificaría en la selección de los dispositivos y en los cables que corren entre ellos.
Para diseñar y documentar esta lógica, el diseñador crearía dibujos eléctricos.
Estos dibujos seguirían uno de dos estilos diferentes.
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En un estilo, los dos cables de energía, ya sea caliente y neutro en el caso de la corriente alterna, o positivo y negativo en el caso de la corriente continua, se dibujaban como líneas verticales a lo largo de cada lado de la página del dibujo.
Estas líneas verticales se conocen como los "rieles".
Luego se dibujarían cables horizontalmente a través de la página de izquierda a derecha, mostrando las conexiones entre botones de empuje, interruptores y contactos de relé a los devanados de relé o luces piloto a la derecha.
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Las conexiones físicas entre los devanados de relé y los contactos de relé no se mostraban normalmente en los dibujos, aunque podrían hacerlo en el caso de botones de empuje o interruptores selectores con múltiples contactos.
En su lugar, te basarías en las etiquetas o nombres para ver qué contactos estaban asociados con qué devanados de relé, interruptores límite o botones de empuje.
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Existen convenciones de nomenclatura estándar para dispositivos que no detallaré aquí.
Sin embargo, esto significa que los devanados de la relé podrían estar en una página del conjunto de dibujos, y los contactos podrían estar en cualquier otro lugar del conjunto de dibujos.
Era costumbre escribir una referencia cruzada junto al devanado de la relé para enumerar dónde se utilizan sus contactos en el dibujo.
37 escalones de escalera
En términos prácticos, lo que esto significaba era que el dibujo lógico tendía a tomar la forma de muchos conjuntos horizontales independientes de cableado y contactos que parecían bastante los escalones de una escalera.
Así, estos dibujos llegaron a ser conocidos como "diagramas de escalera" o "dibujos de escalera".
Los elementos horizontales se conocían como "escalones".
38 símbolos estándar
Cada tipo de dispositivo tenía un símbolo estándar para que pudieras ver a simple vista de qué se trataba.
Por ejemplo, un bobinado de relé era un círculo.
Un contacto de relé normalmente abierto era dos líneas verticales cortas que separaban una interrupción en el circuito de cableado.
Un contacto de relé normalmente cerrado era simplemente un contacto normalmente abierto con una línea diagonal dibujada a través de él.
39 Flujo Lógico
Según la convención, los dibujos se leían de arriba abajo, de izquierda a derecha.
En la práctica real, las operaciones podían ocurrir en paralelo y debías tener cuidado de evitar introducir lo que se llamaba una "carrera de relés", donde el resultado de una operación dependía de cuál de las dos operaciones paralelas se completaba primero.
Una carrera de relés podía producir resultados impredecibles dependiendo de cuál de las operaciones se completaba primero y, por lo tanto, debía evitarse.
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Se esperaba que ingenieros, técnicos y electricistas se volvieran proficientes en leer y entender estos diagramas en escalera para diseñar y solucionar problemas de equipo.
Para alguien con experiencia en el campo, leer y entender estos diagramas se convirtió en algo natural.
Dibujos 41 DIN
Mencioné que existían dos estilos de dibujos.
El otro estilo se conoce como DIN, que significa Instituto Alemán de Normalización, o Instituto Alemán de Estándares en inglés.
Básicamente, es un diagrama de escalera dado la vuelta, con los rieles corriendo horizontalmente de izquierda a derecha, y los peldaños corriendo verticalmente de arriba abajo.
He mencionado los dibujos DIN aquí por completitud, pero incluso aquellos países que aún utilizan dibujos de estilo DIN para documentar el cableado usan escaleras verticales cuando la lógica de escalera pasó a ser electrónica.
Comparación con puertas lógicas electrónicas
Si estás familiarizado con las puertas lógicas electrónicas y, o, nand, y nor, algunos de los conceptos anteriores te resultarán familiares.
Algunas de las nociones son verdaderamente análogas.
Sin embargo, estas convenciones electromecánicas preceden la existencia del estado sólido.
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Los dibujos también siguen principios completamente diferentes.
Mientras que los dibujos de puertas lógicas de estado sólido muestran entradas y salidas en un solo dispositivo agrupadas en un solo bloque con interconexiones complejas, los dibujos de escalera eléctrica las separan, lo que tiene varias consecuencias muy significativas.
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En primer lugar, simplifica en gran medida el dibujo de las interconexiones.
En segundo lugar, permite agrupar las entradas y salidas por función en lugar de por embalaje físico.
En tercer lugar, permite que los dibujos se extiendan a muchas hojas más pequeñas de tamaño estándar, lo que a su vez permite ver una colección funcional de escalones relacionados con un solo vistazo.
Estos tres factores fueron de gran importancia cuando los relés físicos fueron reemplazados por software.
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45 Orígenes Históricos y Desarrollo
Orígenes
Nadie parece saber cuándo o dónde se introdujo por primera vez la lógica de relés industriales.
Las mejores conjeturas parecen indicar que fue algún momento después de la electrificación generalizada de las fábricas a principios del siglo XX.
La automatización en la era de la potencia de vapor parecía depender principalmente del perfil de los pernos mecánicos montados en ejes para sincronizar las operaciones de las máquinas.
La mayoría de las fuentes parecen bastante seguras de que la lógica de relés se extendió ampliamente en la década de 1940 o 50.
46 Estado Sólido
La introducción de los transistores no desplazó inmediatamente a los relés para fines de control.
Los relés tenían la capacidad de manejar cantidades significativas de potencia directamente, permitiendo la interfaz con entradas y salidas directamente.
Los transistores aún habrían requerido la inserción de relés de todos modos, aumentando la cantidad de componentes y complicando el sistema sin un beneficio significativo.
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Se desarrollaron módulos de lógica de estado sólido específicamente para reemplazar los relés en la lógica de control, pero estos no se utilizaron ampliamente.
Estos módulos de lógica de estado sólido aún requerían conexiones de cableado entre ellos, limitando sus ventajas sobre los relés electromecánicos.
Un número de familias de relés de control electromecánicos fueron desarrolladas por varias compañías, y estas tendían a ser muy robustas y confiables, aunque bastante caras.
48 Conclusión
En este episodio he cubierto lo siguiente.
¿Qué es un relé.
Dispositivos comunes de entrada y salida.
Cómo se utilizan los relés para crear sistemas de lógica booleana.
Diseño de sistemas lógicos de relé y los dibujos eléctricos utilizados para documentarlos.
Breve historia de los sistemas lógicos de relé.
49 términos que debes recordar.
Aquí hay algunos términos que podrías querer recordar.
Controlador lógico programable, también conocido como "PLC".
Relé de control.
Bobinas
Contactos
Normalmente abierto
Normalmente cerrado
50
Cierre
Desbloquear
Establecer
Reiniciar
51
Sobre temporizadores de retraso
Sobre temporizadores de retraso fuera
Contadores
Botones de empuje
Luces piloto
Interruptor de límite
Interruptor de proximidad, también conocido como "proxies"
Diagramas de escalera
Rieles de escalera
Escalones de escalera
Próximo episodio 52
En el próximo episodio discutiré lo siguiente
Los orígenes de los PLCs.
Cómo evolucionaron de la lógica de relés.
Cómo y por qué los relés físicos y el cableado se convirtieron en relés virtuales en software.
53
¿Pensaste que la programación visual o gráfica era algo nuevo?
Escucha el próximo episodio y descubre que la gente lo hacía en fábricas hace medio siglo, cuando aún estabas tratando de hacer que tu primer programa Fortran funcionara en una computadora principal.
54
Este ha sido el primer episodio de una serie de 8 partes.
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