Sistemas de E/S Centralizadas

Se disponen en las inmediaciones de la CPU, a fin de aumentar el número de E/S disponibles. Características:

• Se conectan a la CPU a través del bus interno del autómata.
• Las transferencias de datos se realizan en paralelo.
• Están colocadas a distancias inferiores de 5m del autómata base.
• Según modelos, pueden no usar fuente de alimentación propia.
• Las expansiones se limitan normalmente a interfaces E/S digitales y analógicas.

A su vez, los sistemas E/S centralizados los podemos dividir en:

1. Unidades Compactas

La CPU, la fuente de alimentación, las E/S y la memoria forman una única unidad electrónica compacta. Las ampliaciones de E/S se obtienen mediante módulos de extensión de E/S, conectados al autómata base mediante un cable de expansión del bus interno. Estas ampliaciones compactas de E/S tienen un aspecto muy similar al autómata base. Se pueden colocar tantas unidades como el límite de direccionamiento de la CPU admitida.

2. Unidades Modulares

El autómata base está construido sobre un bastidor, al que se añaden módulos independientes de fuente de alimentación, CPU y tarjetas E/S. Los huecos libres del bastidor se pueden ir rellenando hasta completarlo. Si se ocupan todos los huecos, pueden ampliarse colocando bastidores adicionales para añadir más E/S. Los bastidores se interconectan mediante cables especiales de expansión de bus interno.

E/S Distribuidas

Las interfaces de E/S se disponen donde se necesitan. Disponen de un procesador de enlace que agrupa las señales en tramos. Comunica con la CPU por transmisión serie sobre un único canal. Características:

• Permite el control a distancia de los procesos y la maquinaria.
• Disminuye el coste de instalación.
• Disminuye el coste de materiales.
• Aumenta la seguridad del sistema de control.
• Según la conexión con el autómata base que contiene la CPU, las expansiones de E/S distribuidas pueden adoptar las configuraciones: BUS, ESTRELLA O MIXTA.

Automatas. Arquitectura Interna.

Es un equipo electrónico de control con una circuitería y cableado interno (hardware) independiente del proceso a controlar, que se adapta a dicho proceso mediante un programa específico (software) que contiene la secuencia de las operaciones a realizar. Este software lo configura el usuario. Esta diseñado para controlar de forma secuencial y en tiempo real (relativo), procesos industriales, mediante un programa no informático. El equipo gobierna las salidas en función del programa del usuario y del estado de las entradas. El hardware estándar, cableado con el proceso estándar se adapta a cada proceso mediante el programa del usuario. La arquitectura interna del autómata programable la forman:

1. CPU

Construida alrededor de un sistema basado en microprocesador, es la encargada de ejecutar el programa de usuario y de ordenar las transferencias de información en el sistema de E/S. El programa de usuario se transfiere a la CPU a través de un software específico que corre en un PC. Las instrucciones las ejecuta en serie, una tras otra. La CPU también establece comunicaciones con otros periféricos.

2. Memoria Interna

Dispositivo electrónico capaz de almacenar datos binarios, que pueden ser leídos posición a posición, o por bloques de 8 o 16 posiciones. La memoria ideal para el autómata debería ser simultáneamente de gran tamaño, rápida, pequeña, barata y de bajo consumo de energía. Tipos: RAM, ROM, PROM, EPROM Y EEPROM.

3. Interfaces de E/S

Establece la comunicación entre la CPU y el proceso. Filtran, adaptan y codifican, a una forma compresible para la unidad, las señales procedentes de los elementos de entrada. Decodifican y amplifican las señales generadas durante la ejecución del programa antes de enviarlas los elementos de salida. Se clasifican: Por tipo de señal analógica, binaria, E/S. Aislamiento: con o sin aislamiento galvánico entre E/S. Localización: Locales/Remotas. Conexión: Serie/Paralelo.

4. Fuente de Alimentación

Proporciona las tensiones necesarias para el funcionamiento de los distintos circuitos del sistema.

Ciclo de Operación

Conjunto de tareas que el autómata realiza de forma secuencial y cíclica estando en funcionamiento para controlar un proceso. Se divide en varios procesos: Proceso inicial y Ciclo de operación.

(Procesor inicial) Tensión-Comprobación del S.Físico (Hardware)-Borrado de variables internas, temporizadores y contadores-(flecha bajo 2)-(Proceso Común) Puesta a 0 de ‘Watchdog’-(Ejecución programas y E/S de datos) Comprobación de conexiones y memoria-Comprobación Correcta-(NO. indicador de error, bajo 1)-SI-Lectura de la interfaz de salida-(Servicios periféricos) Ejecución del programa usuario (1)-Servicio a periféricos externos (2).

Formas de acortar el ciclo de operación:

• Ejecución de subrutinas o programas a intervalos menores de los que permite el tiempo de ciclo general del autómata. Se denominan tareas rápidas.
• Entradas especiales de lectura de impulsos de alta frecuencia, denominados controladores rápidos.
• Entradas especiales para señales rápidas con un mecanismo interno de enclavamiento para que pueda ser almacenada la entrada en la memoria hasta que el autómata haga la lectura de E/S en su ciclo general. Denominados entradas detectores de flancos.

Ventajas de la lógica programable frente a la lógica cableada.

Cableados: realizan una función de control fija, que depende de los componentes que lo forman y de cómo se han interconectado estos.

Programados: pueden realizar distintas funciones de control sin alterar su configuración física, tan solo cambiando el programa de control.

Medidores de posición tipo Encoders

Los encoders están formados por un rotor con uno o varios grupos de bandas opacas y translúcidas alternadas y por una serie de captadores ópticos alojados en el estator que detectan la presencia o no de banda opaca. Existen dos tipos:

Incrementales

Dan un número determinado de impulsos por vuelta, requiriendo un contador para determinar la posición a partir de un origen de referencia. Una única banda de marcas transparentes/opacas, separadas una distancia fija llamada paso “p”. El estator dispone de dos emisores-receptores ópticos decalados un número entero de pasos más ¼ de paso. Al girar el rotor cada par óptico genera una onda cuadrada, desfasadas ¼ de paso cuando gira en un sentido, y desfasadas ¾ de paso cuando gira en sentido contrario. Discriminándose así el sentido de giro. Mediante un sistema lógico se puede determinar el desplazamiento a partir del origen a base de contar impulsos, incrementando o decrementando en función del sentido de giro.

Absolutos

Disponen de varias bandas en el rotor ordenadas según un código binario. Los captadores ópticos captan un código digital completo de la posición absoluta del rotor. Disponen de varias bandas dispuestas en forma de coronas circulares concéntricas. De forma que en sentido radial el rotor queda dividido en una serie de sectores, con combinaciones de opacos/transparentes que siguen el código binario de Gray. El estator dispone de un captador óptico por cada sector, dispuestos en forma radial. El código Gray tiene la ventaja que en cada cambio de posición sólo permuta un bit.

Galgas extensiométricas de hilo

Formada por un hilo conductor en forma de zigzag. Al deformarse la galga por verse sometida a un esfuerzo, se produce un alargamiento del hilo y una disminución de su sección, por lo tanto cambia su resistencia según la ley:

R=ρ∙l/S=ρ∙l/π∙r2 Deben colocarse los lados largos en el sentido de la deformación que se quiere medir. La variación de la resistencia se produce por dos causas simultáneamente, longitud y sección:

dR=(ρ∙S∙dl−ρ∙l∙dS)/S2=(ρ∙S∙dl−ρ∙l∙2π∙r∙dr)/π2∙r4

El módulo de Poisson, μ, se define por la siguiente expresión. Así que la expresión de la variación de resistencia queda como: μ=−dr/r)/dl/l dR=R∙(1+2μ)∙dl/l

La galga forma parte de un puente de medida diferencial para obtener la señal eléctrica.

Termopares:

Sensores activos analógicos que basan su funcionamiento en el efecto SEEBECK, consistente en aparición de una tensión eléctrica entre dos piezas de distintos metales unidos o soldados, manteniendo los extremos a una misma temperatura inferior. Midiendo la temperatura en la unión fría obtenemos con precisión la temperatura de la unión caliente. La fuerza electromotriz generada depende de la diferencia de la temperatura entre la unión fría y la unión caliente. E=F (Tc-Tf)

Termoresistencias PT100:

Sensor de temperatura consistente en un alambre de platino que a 0ºC tiene 100 ohmios de resistencia y que al aumentar la temperatura, aumenta su resistencia eléctrica con la temperatura de acuerdo con la siguiente fórmula: Rt=R0[1+α(Tt-T0)] Las ondas PT100 aptas como sensores para un amplio margen de temperatura, que van desde -250 ºC hasta 850ºC, con una muy buena linealidad entre -200 ºC y 500 ºC. Las PTC (positive temperature coefficient) están fabricadas a base de óxidos de bario y titanio. Son poco lineales, como se puede ver las curvas. Se utilizan en circuitos todo o nada. Las NTC (negative temperature coefficient) están fabricadas a base de óxidos de hierro, cromo, cobalto, manganeso y níquel.

Características estáticas sensorires

Describen la actuación del sensor en régimen permanente, es decir, con cambios muy lentos de la variable a medir.

• Campo de medida. Rango de valores de la magnitud de entrada comprendido entre un máximo y un mínimo detectables por un sensor.
• Resolución. Mínima diferencia entre dos valores próximos que el sensor es capaz de distinguir.
• Precisión. Máxima desviación entre la salida del sensor y el valor teórico que corresponda.
• Linealidad. Existencia de una constante de proporcionalidad única entre la señal eléctrica de salida y la señal física de entrada.
• Repetibilidad. Máxima desviación entre valores de salida de medidas repetitivas. Sensibilidad. Indica la variación de la salida por unidad de la magnitud de entrada.
• Ruido. Perturbación aleatoria del sensor o del sistema de medida que produce una desviación en la salida con respecto al valor teórico.
• Histéresis. A igualdad de la magnitud de entrada, la salida depende de si dicha entrada se alcanzó con cambios crecientes o decrecientes de la magnitud física medida.

Características dinámicas

Describen la actuación del sensor en régimen transitorio.

• Velocidad de respuesta. Capacidad de un transductor para que la señal de salida siga sin retraso las variaciones de la señal de entrada. Parámetros:
• Tiempo de retardo. Tiempo desde la aplicación de la señal de entrada hasta que la salida alcanza el 10% de su valor permanente.
• Tiempo de subida. Tiempo desde que la salida alcanza el 10% de su valor permanente hasta que llega por primera vez al 90%.
• Tiempo de establecimiento al 99%. Tiempo desde la aplicación de la entrada hasta que la salida alcanza el régimen permanente con un ±1%.
• Constante de tiempo. Tiempo empleado para que la salida alcance el 63% del valor en régimen permanente.
• Respuesta frecuencial. Relación entre la sensibilidad y la frecuencia cuando la entrada es una señal senoidal.
• Estabilidad y derivas. Desviación de la salida al variar ciertos parámetros exteriores distintos de los que se pretende medir, tales como condiciones ambientales y alimentación eléctrica.