Contactos y bobinas en lógica de escalera de PLC

Los objetos más elementales en la programación del diagrama de escalera son los contactos y las bobinas, destinados a imitar los contactos y las bobinas de los relés electromecánicos.

Los contactos y las bobinas son elementos de programación discretos que tratan con estados variables booleanos (1 y 0; encendido y apagado; verdadero y falso).

Cada contacto en un programa PLC de Diagrama de Escalera representa la lectura de un solo bit en la memoria, mientras que cada bobina representa la escritura de un solo bit en la memoria.

Las señales de entrada discretas al PLC desde interruptores del mundo real se leen mediante un programa de diagrama de escalera mediante contactos referenciados a esos canales de entrada.

En los sistemas PLC heredados, cada canal de entrada discreta tiene una dirección específica que debe aplicarse a los contactos dentro de ese programa.

En los sistemas PLC modernos, cada canal de entrada discreta tiene un nombre de etiqueta creado por el programador que se aplica a los contactos dentro del programa.

De manera similar, los canales de salida discretos, a los que se hace referencia mediante símbolos de bobina en el diagrama de escalera, también deben llevar algún tipo de dirección o etiqueta con el nombre de la etiqueta.

Para ilustrar, imaginaremos la construcción y programación de un sistema de detección de llama redundante para monitorear el estado de la llama de un quemador utilizando tres sensores.

El objetivo de este sistema será indicar un quemador “encendido” si al menos dos de los tres sensores indican llama.

Si solo un sensor indica llama (o si ningún sensor indica llama), el sistema declarará que el quemador está apagado.

El estado del quemador se indicará visiblemente mediante una lámpara que los operadores humanos podrán ver fácilmente dentro del área de la sala de control.

El cableado de nuestro sistema se muestra en el siguiente diagrama:

Cada sensor de llama emite una señal de voltaje CC que indica la detección de llama en el quemador, ya sea encendido (24 voltios CC) o apagado (0 voltios CC).

Estas tres señales de voltaje CC discretas son detectadas por los primeros tres canales de la tarjeta de entrada discreta del PLC.

La lámpara indicadora es una bombilla de 120 voltios y, por lo tanto, debe recibir alimentación de una tarjeta de salida discreta de CA, que se muestra aquí en la última ranura del PLC.

Para que el programa de escalera sea más legible, asignaremos nombres de etiquetas (direcciones simbólicas) a cada bit de entrada y salida en el PLC, describiendo su dispositivo real en un formato fácil de interpretar.

Etiquetaremos los primeros tres canales de entrada discretos como sensor de entrada A, sensor de entrada B y sensor de entrada C, y la salida como quemador de salida encendido.

Aquí se muestra un programa en escalera para determinar si al menos dos de los tres sensores detectan llama, con los nombres de las etiquetas haciendo referencia a cada contacto y bobina:

Los contactos conectados en serie en un diagrama de escalera realizan la función lógica Y, mientras que los contactos en paralelo realizan la función lógica O. Por lo tanto, este programa de detección de llamas dos de tres podría describirse verbalmente como:

“El quemador se enciende si A y B, o B y C, o A y C”

Una forma alternativa de expresar esto es usar la notación del álgebra booleana, donde la multiplicación representa la función Y y la suma representa la función O:

Quemador_encendido = AB + BC + AC

Otra forma más de representar esta relación lógica es utilizar símbolos de puerta lógica:

Para ilustrar cómo funcionaría este programa, consideraremos un caso en el que los sensores de llama B y C detectan llama, pero el sensor A no (Nota 1).

Esto representa dos de tres buenas condiciones, por lo que esperaríamos que el PLC encienda la luz indicadora de "Quemador encendido" según lo programado.

Desde la perspectiva del rack del PLC, veríamos encendidos los LED indicadores de los sensores B y C en la tarjeta de entrada discreta, así como el LED indicador del canal de salida de la lámpara:

Nota 1: La razón más probable por la que uno de cada dos sensores de llama no detecta la presencia de una llama es algún tipo de desalineación o suciedad del sensor de llama.

De hecho, esta es una buena razón para utilizar un sistema de detección de llama 2 de 3 en lugar de un esquema de detector simple (1 de 1): hacer que el sistema sea más tolerante a problemas ocasionales con los sensores sin comprometer el funcionamiento del quemador. seguridad.

Esos dos canales de entrada energizados "establecen" bits (estado 1) en la memoria del PLC que representan el estado de los sensores de llama B y C. El bit del sensor de llama A estará "borrado" (estado 0) porque su canal de entrada correspondiente está desenergizado.

El hecho de que el LED del canal de salida esté energizado (y la lámpara indicadora de "Quemador encendido" esté energizada) nos indica que el programa del PLC ha "establecido" el bit correspondiente en el registro de memoria de salida del PLC al estado "1".

Una pantalla de bits de registro de entrada y salida muestra los estados de "establecimiento" y "reinicio" del PLC en este momento:

Al examinar el programa Diagrama de escalera con la indicación de estado habilitada, vemos cómo solo el par de contactos del medio pasa "potencia virtual" a la bobina de salida:

Recuerde que el propósito de un contacto en un programa de PLC es leer el estado de un bit en la memoria del PLC.

Estos seis “contactos virtuales” leen los tres bits de entrada correspondientes a los tres sensores de llama.

Cada “contacto” normalmente abierto se “cerrará” cuando su bit correspondiente tenga un valor de 1, y se “abrirá” (pasará a su estado normal) cuando su bit correspondiente tenga un valor de 0.

Así, vemos aquí que los dos contactos correspondientes al sensor A aparecen sin resaltar (no representando “conductividad” en el circuito del relé virtual) porque el bit de esa entrada está reseteado (0).

Los dos contactos correspondientes al sensor B y los dos contactos correspondientes al sensor C aparecen resaltados (representando "conductividad" en el circuito virtual) porque sus bits están configurados (1).

Recuerde también que el propósito de una bobina en un programa de PLC es escribir el estado de un bit en la memoria del PLC.

Aquí, la bobina "energizada" establece el bit de la salida 0 del PLC en un estado "1", activando así la salida del mundo real y enviando energía eléctrica a la lámpara "Quemador encendido".

Tenga en cuenta que el color resaltado no indica que un contacto virtual esté conduciendo energía virtual, sino simplemente que es capaz de conducir energía. Sin embargo, el color resaltado alrededor de una bobina virtual indica la presencia de "poder" virtual en esa bobina.

Los contactos y relés no sólo son útiles para implementar funciones lógicas simples, sino que también pueden realizar funciones de enclavamiento.

Una aplicación muy común de esto en sistemas PLC industriales es un programa de arranque/parada con enclavamiento para controlar motores eléctricos mediante interruptores de botón de contacto momentáneo.

Como antes, esta funcionalidad se ilustrará mediante un circuito y programa de ejemplo hipotético:

En este sistema, dos interruptores de botón están conectados a entradas discretas en un PLC, y el PLC, a su vez, energiza la bobina de un relé de contactor de motor por medio de una de sus salidas discretas.

Un contacto de sobrecarga está cableado directamente en serie con la bobina del contactor para proporcionar protección contra sobrecorriente del motor, incluso en caso de una falla del PLC donde el canal de salida discreta permanece energizado (nota 2). El programa de escalera para este sistema de control de motores se vería así:

Nota 2: Si bien es posible cablear el contacto de sobrecarga a uno de los canales de entrada discretos del PLC y luego programar un contacto de sobrecarga virtual en serie con la bobina de salida para detener el motor en caso de una sobrecarga térmica, esta estrategia dependería de que el PLC realice una función de seguridad que probablemente se realice mejor mediante circuitos cableados.

Al presionar el botón "Inicio" se activa el canal de entrada discreta 6 en el PLC, que "cierra" el contacto virtual en el programa del PLC denominado IN switch Start.

El contacto virtual normalmente cerrado para el canal de entrada 7 (el botón "Parar") ya está cerrado de forma predeterminada cuando no se presiona el botón "Parar", por lo que la bobina virtual recibirá "alimentación" cuando se presiona el botón "Inicio". presionado y el botón “Parar” no.

Tenga en cuenta que el contacto sellado lleva exactamente la misma etiqueta que la bobina: Contactor de SALIDA. Al principio puede parecer extraño tener un contacto y una bobina en un programa de PLC etiquetados de manera idéntica (Nota 3), ya que los contactos se asocian más comúnmente con entradas y las bobinas con salidas, pero esto tiene mucho sentido si comprende el verdadero significado de Contactos y bobinas en un programa de PLC: como operaciones de lectura y escritura en bits en la memoria del PLC.

La bobina etiquetada como contactor OUT escribe el estado de ese bit, mientras que el contacto etiquetado como contactor OUT lee el estado de ese mismo bit. El propósito de este contacto, por supuesto, es bloquear el motor en el estado "encendido" después de que un operador humano haya soltado el dedo del botón de "Arranque".

Nota 3: Un error muy común entre los estudiantes que aprenden por primera vez la programación del diagrama de escalera de PLC es asociar siempre los contactos con las entradas del PLC y las bobinas con las salidas del PLC, por lo que parece extraño que un contacto lleve la misma etiqueta que una salida. Sin embargo, esta es una asociación falsa. En realidad, los contactos y las bobinas son instrucciones de lectura y escritura y, por lo tanto, es posible hacer que el PLC lea uno de sus propios bits de salida como parte de alguna función lógica. Lo que sería realmente extraño es etiquetar una bobina con una dirección de bit de entrada o un nombre de etiqueta, ya que el PLC no es eléctricamente capaz de establecer el estado de energía real de ningún canal de entrada.

Esta técnica de programación se conoce como retroalimentación, donde una variable de salida de una función (en este caso, la variable de retroalimentación es el contactor de SALIDA) también es una entrada para esa misma función.

La ruta de retroalimentación es implícita más que explícita en la programación del diagrama de escalera, siendo la única indicación de retroalimentación el nombre común compartido por bobina y contacto.

Otros lenguajes de programación gráfica (como el bloque de funciones) tienen la capacidad de mostrar rutas de retroalimentación como líneas de conexión entre las salidas y entradas de funciones, pero esta capacidad no existe en el diagrama de escalera.

Una secuencia paso a paso que muestra el funcionamiento y el estado de este sencillo programa ilustra cómo funciona el contacto de sellado, a través de un ciclo de arranque y apagado del motor:

Esta secuencia ayuda a ilustrar el orden de evaluación o de escaneo de un programa de diagrama de escalera. El PLC lee un diagrama de escalera de izquierda a derecha, de arriba a abajo, en el mismo orden general en el que un ser humano lee oraciones y párrafos escritos en inglés.

Sin embargo, según el estándar IEC 61131-3, un programa de PLC debe evaluar (leer) todas las entradas (contactos) de una función antes de determinar el estado de la salida de una función (bobina o bobinas).

En otras palabras, el PLC no toma ninguna decisión sobre cómo configurar el estado de una bobina hasta que se hayan leído todos los contactos que suministran energía a esa bobina.

Una vez que el estado de una bobina se haya escrito en la memoria, cualquier contacto que tenga el mismo nombre de etiqueta se actualizará con ese estado en los escalones posteriores del programa.

El paso 5 de la secuencia anterior es particularmente ilustrativo. Cuando el operador humano presiona el botón "Parar", se activa el canal de entrada para el interruptor IN de parada, lo que "abre" el contacto virtual normalmente cerrado IN interruptor de parada.

En el siguiente escaneo de este renglón del programa, el PLC evalúa todos los contactos de entrada (inicio del interruptor de entrada, parada del interruptor de entrada y contactor de salida) para verificar su estado antes de decidir qué estado escribir en la bobina del contactor de salida.

Al ver que el contacto de parada del interruptor IN ha sido forzado a abrirse mediante la activación de su respectivo canal de entrada discreta, el PLC escribe un estado "0" (o "Falso") en la bobina del contactor OUT.

Sin embargo, el contacto de retroalimentación del contactor de SALIDA no se actualiza hasta el siguiente escaneo, razón por la cual aún lo verá resaltado en color durante el paso 5.

Un problema potencial con este sistema, tal como está diseñado, es que el operador humano pierde el control del motor en caso de una falla de cableado "abierto" en cualquiera de los circuitos del interruptor de botón.

Por ejemplo, si un cable se cae de un contacto de tornillo para el circuito del interruptor del botón pulsador de "Arranque", el motor no podría arrancar si ya estaba detenido.

De manera similar, si un cable se cayera de un contacto de tornillo para el circuito del interruptor del botón de “Parada”, el motor no podría detenerse si ya estaba funcionando.

En cualquier caso, una conexión de cable rota actúa de la misma manera que el estado "normal" del interruptor de botón, que es mantener el motor en su estado actual.

En algunas aplicaciones, este modo de falla no sería un problema grave. Sin embargo, en muchas aplicaciones es bastante peligroso tener un motor en marcha que no se puede detener.

Por esta razón, es habitual diseñar sistemas de arranque/parada de motores un poco diferentes a lo que se muestra aquí.

Para construir un sistema de control de motor de “parada en caso de falla” con nuestro PLC, primero debemos volver a cablear el interruptor de botón para usar su contacto normalmente cerrado (NC):

Esto mantiene activado el canal de entrada discreta 7 cuando se suelta el botón. Cuando el operador presiona el botón "Parar", el contacto del interruptor se abrirá a la fuerza y el canal de entrada 7 se desenergizará.

Si un cable se cae de un terminal de tornillo en el circuito del interruptor de "Parada", el canal de entrada 7 se desenergizará de la misma manera que si alguien presionara el botón de "Parada", lo que apagará automáticamente el motor.

Para que el programa PLC funcione correctamente con este nuevo cableado de interruptor, el contacto virtual para la parada del interruptor IN debe cambiarse de normalmente cerrado (NC) a normalmente abierto (NO):

Como antes, el contacto virtual de parada del interruptor IN está en estado "cerrado" cuando nadie presiona el interruptor "Parada", lo que permite que el motor arranque cada vez que se presiona el interruptor "Arranque".

De manera similar, el contacto virtual de parada del interruptor de ENTRADA se abrirá cada vez que alguien presione el interruptor de "Parada", deteniendo así el flujo de "energía" virtual hacia la bobina del contactor de SALIDA.

Aunque esta es una forma muy común de construir sistemas de arranque/parada de motores controlados por PLC (con un interruptor de botón NC y un contacto virtual de “parada” NO), los estudiantes nuevos en la programación de PLC a menudo encuentran confusa esta inversión lógica.

Quizás la razón más común de esta confusión sea una mala comprensión del concepto "normal" de los contactos de interruptor, ya sean reales o virtuales. El contacto virtual de parada del interruptor IN está programado para estar normalmente abierto (NO), pero normalmente se encuentra en estado cerrado.

Recuerde que el estado "normal" de cualquier interruptor es su estado mientras está en reposo sin estimulación, no necesariamente su estado mientras el proceso está en un modo de funcionamiento "normal".

El contacto virtual "normalmente abierto" del interruptor IN normalmente se encuentra en estado cerrado porque su canal de entrada correspondiente generalmente se encuentra energizado, debido al contacto del interruptor del botón normalmente cerrado, que pasa energía eléctrica real al canal de entrada mientras nadie presiona el interruptor.

¡El hecho de que un interruptor esté configurado como normalmente abierto no significa necesariamente que normalmente se encontrará en estado abierto! El estado de cualquier contacto de interruptor, ya sea real o virtual, es función de su configuración (NO versus NC) y del estímulo que se le aplica.

Otra preocupación que rodea a los problemas de cableado del mundo real es qué hará este sistema si el circuito de la bobina del contactor del motor se abre por cualquier motivo.

Se puede desarrollar un circuito abierto como resultado de la caída de un cable de un terminal de tornillo, o puede ocurrir porque el contacto de sobrecarga térmica se abrió debido a un evento de sobretemperatura. El problema con nuestro sistema de arranque/parada de motor tal como está diseñado es que no es "consciente" del estado real del contactor.

En otras palabras, el PLC “piensa” que el contactor se energizará cada vez que se energice el canal de salida discreta 2, pero en realidad puede no ser el caso si hay una falla abierta en el circuito de la bobina del contactor.

Esto puede provocar una condición peligrosa si posteriormente se elimina la falla abierta en el circuito de la bobina del contactor. Imagine a un operador presionando el interruptor de "Arranque" pero notando que el motor en realidad no arranca.

Preguntándose por qué puede ser esto, va a mirar el relé de sobrecarga para ver si está disparado. Si se dispara y el operador presiona el botón "Reset" en el conjunto de sobrecarga, el motor arrancará inmediatamente porque la salida discreta del PLC ha permanecido energizada todo el tiempo después de presionar el interruptor "Start".

Hacer que el motor arranque tan pronto como se reinicie la sobrecarga térmica puede ser una sorpresa para el personal de operaciones, y esto podría ser bastante peligroso si alguien se encuentra cerca de la maquinaria motorizada cuando arranca.

Lo que sería más seguro es un sistema de control del motor que se niegue a "engancharse" a menos que el contactor realmente se active cuando se presione el interruptor de "Arranque". Para que esto sea posible, el PLC debe tener alguna forma de detectar el estado del contactor.

Para que el PLC sea “consciente” del estado real del contactor, podemos conectar el contacto del interruptor auxiliar a uno de los canales de entrada discreta no utilizados en el PLC, así:

Ahora, el PLC puede detectar el estado en tiempo real del contactor a través del canal de entrada 5.

Podemos modificar el programa PLC para reconocer este estado asignando un nuevo nombre de etiqueta a esta entrada (contactor auxiliar de entrada) y usando un contacto virtual normalmente abierto con este nombre como contacto sellado en lugar del bit del contactor de SALIDA:

Ahora, si el contactor no se energiza por algún motivo cuando el operador presiona el interruptor de "Inicio", la salida del PLC no se bloqueará cuando se suelte el interruptor de "Inicio".

Cuando se elimina la falla abierta en el circuito de la bobina del contactor, el motor no arrancará inmediatamente, sino que esperará hasta que el operador presione el interruptor de "Arranque" nuevamente, lo cual es una característica de operación mucho más segura que antes.

Una clase especial de “bobina” virtual utilizada en la programación en escalera de PLC que vale la pena mencionar es la bobina de “enclavamiento”. Por lo general, vienen en dos formas: una bobina de ajuste y una bobina de reinicio.

A diferencia de una bobina de "salida" normal que escribe positivamente en un bit de la memoria del PLC con cada escaneo del programa, las bobinas de "configuración" y "reinicio" solo escriben en un bit de la memoria cuando se energizan mediante energía virtual. De lo contrario, se permite que el bit conserve su último valor.

Se podría escribir un programa de arranque/parada de motor muy simple con sólo dos contactos de entrada y dos de estas bobinas de enclavamiento (ambas con el mismo nombre de etiqueta y escritas en el mismo bit en la memoria):

Tenga en cuenta el uso de un contacto de interruptor de botón normalmente abierto (NO) (¡otra vez!), sin contacto auxiliar que proporcione indicación de estado del contactor al PLC. Este es un programa mínimo, mostrado con el estricto propósito de ilustrar el uso de bobinas de enganche de “establecimiento” y “reinicio” en la programación de PLC con diagrama de escalera.

Las bobinas de “Configuración” y “Reinicio” (denominadas bobinas de “Enclavamiento” y “Desenganche”) son ejemplos de lo que se conoce en el mundo de la programación de PLC como instrucciones retentivas. Una instrucción "retentiva" conserva su valor después de ser prácticamente "desenergizada" en el "circuito" del diagrama de escalera.

Una bobina de salida estándar no es retentiva, lo que significa que no se "bloquea" cuando se desenergiza. El concepto de instrucciones retentivas y no retentivas aparecerá nuevamente a medida que exploremos la programación de PLC, especialmente en el área de los temporizadores.

Normalmente, intentamos evitar que varias bobinas lleven la misma etiqueta en un programa de diagrama de escalera de PLC. Dado que cada bobina representa una instrucción de "escritura", varias bobinas que llevan el mismo nombre representan múltiples operaciones de "escritura" en el mismo bit en la memoria del PLC.

Aquí, con las bobinas de enclavamiento, no hay conflicto porque cada una de las bobinas solo escribe en el bit del contactor de SALIDA cuando su contacto respectivo está energizado. Mientras sólo se accione uno de los pulsadores a la vez, no habrá conflicto entre las bobinas con el mismo nombre.

Esto plantea la pregunta: ¿qué pasaría si se presionaran simultáneamente ambos pulsadores? ¿Qué pasaría si las bobinas “Set” y “Reset” fueran “energizadas” al mismo tiempo? El resultado es que el bit del contactor de SALIDA primero se "establecerá" (se escribirá en un valor de 1) y luego se "restablecerá" (se escribirá en un valor de 0) en ese orden a medida que los dos renglones del programa se escanearan de arriba a abajo. .

Los PLC normalmente no actualizan sus registros de E/S discretas mientras escanean el programa del diagrama de escalera (esta operación se lleva a cabo antes o después de cada exploración del programa), por lo que el estado real del canal de salida discreta será cualquiera que la última operación de escritura indique. , en este caso “restablecer” (0 o apagado).

Incluso si la salida discreta no está “confundida” debido a las operaciones de escritura conflictivas de las bobinas “Set” y “Reset”, otros renglones del programa escritos entre los renglones “Set” y “Reset” podrían estarlo.

Considere, por ejemplo, un caso en el que había otros renglones de programa después de los renglones "Establecer" y "Reiniciar" que leían el estado del bit del contactor de SALIDA para algún propósito.

De hecho, esos otros renglones se “confundirían” porque verían el bit del contactor de SALIDA en el estado “establecido”, mientras que la salida discreta real del PLC (y cualquier renglón que siga al renglón “Reset”) vería el bit del contactor de SALIDA en el estado. Estado de “reinicio”:

Múltiples bobinas de salida (no retentivas) con la misma dirección de memoria son casi siempre un error de programación por esta razón, pero incluso las bobinas retentivas que están diseñadas para usarse en pares coincidentes pueden causar problemas si no se anticipan las implicaciones de la energización simultánea.

Múltiples contactos con direcciones idénticas no son ningún problema, porque múltiples operaciones de "lectura" en el mismo bit en la memoria nunca causarán un conflicto.

El estándar de programación de PLC IEC 61131-3 especifica contactos de detección de transición, así como los contactos "estáticos" más habituales. Un contacto de detección de transición se "actuará" sólo durante un escaneo del programa, incluso si su bit correspondiente permanece activo.

En la norma IEC se definen dos tipos de contactos de diagrama de escalera con detección de transiciones: uno para transiciones positivas y otro para transiciones negativas.

El siguiente ejemplo muestra un diagrama de cableado, un programa de diagrama de escalera y un diagrama de tiempos que demuestra cómo funciona cada tipo de contacto de detección de transición cuando es estimulado por una señal de entrada real (eléctrica) a un canal discreto:

Cuando se presiona el interruptor de botón y se energiza la entrada discreta, la primera lámpara de prueba parpadeará "encendida" durante exactamente una exploración del programa del PLC y luego volverá a su estado apagado.

El contacto de transición positivo (con la letra “P” adentro) activa la prueba OUT1 de la bobina solo durante el escaneo y ve el estado de la transición de la prueba IN de “falso” a “verdadero”, aunque la entrada permanece energizada durante muchos escaneos después de eso. transición.

Por el contrario, cuando se suelta el interruptor del botón y se desactiva la entrada discreta, la segunda lámpara de prueba parpadeará "encendida" durante exactamente una exploración del programa del PLC y luego volverá a su estado apagado.

El contacto de transición negativa (con la letra "N" en el interior) activa la prueba OUT de la bobina2 solo durante el escaneo ve el estado de la prueba IN transición de "verdadero" a "falso", aunque la entrada permanece desenergizada durante muchos exploraciones después de esa transición:

Cabe señalar que la duración de un único escaneo de programa de PLC suele ser muy corta: se mide en milisegundos. Si este programa fuera realmente probado en un PLC real, probablemente no podría ver ninguna de las lámparas de prueba encendidas, ya que cada pulso tiene una duración muy corta.

Los contactos de transición generalmente se usan cada vez que se desea ejecutar una instrucción solo una vez después de un evento "desencadenante", en lugar de ejecutar esa instrucción una y otra vez siempre que el estado del evento se mantenga "verdadero".

Los contactos y las bobinas representan sólo las instrucciones más básicas en el lenguaje de programación del PLC de diagrama de escalera.