Técnicas de cableado de señales analógicas de PLC

A diferencia del circuito discreto/digital (encendido/apagado), las señales analógicas varían en un rango de voltaje o corriente. Tomando el mismo recipiente descrito anteriormente en el ejemplo de cableado digital, ¿cómo cambiaría el cableado si reemplazamos el interruptor con un transmisor de nivel?

Técnicas de cableado de señales analógicas de PLC

La siguiente figura tiene el mismo panel de disyuntores, pero ahora está alimentando una fuente de alimentación de CC.

La fuente de alimentación podría estar en su propio gabinete o podría estar en el panel de maniobras. En cualquier caso, la alimentación de CC se distribuye en el panel de maniobras. Un solo fusible podría alimentar varios circuitos, o cada circuito podría estar fusionado.

El transmisor se alimenta con +24 VCC en su terminal positivo. La señal de corriente de 4–20 mA se obtiene del terminal (-) del transmisor al PLC.

El cableado es de par trenzado y blindado. El cable de señal está numerado con el número del transmisor y los cables en el interior están numerados para proporcionar información sobre la fuente de alimentación.

El blindaje se termina en el panel de maniobras, donde se reúnen todos los blindajes y se terminan en una terminal de tierra que está aislada del gabinete. Nota: Se debe tener cuidado para garantizar que el blindaje solo esté conectado a tierra en un punto.

Los blindajes que están conectados a tierra en más de un punto pueden inyectar grandes picos de ruido en la señal. Esta condición se denomina bucle de tierra y puede ser un problema muy difícil de aislar, ya que el problema es intermitente.

Se debe utilizar una conexión a tierra "silenciosa" para conectar a tierra todos los blindajes en un punto. Una conexión a tierra silenciosa es aquella que está conectada a una tríada de tierra dedicada o a la toma central de un transformador de aislamiento.

Una conexión a tierra ruidosa sería aquella que está ubicada físicamente lejos del transformador y que da servicio a motores, luces u otros elementos ruidosos. Ese es el circuito de entrada analógica básica de dos cables.

A continuación, se incluye información específica sobre las distintas posibilidades analógicas:

a. Protección del circuito (fusibles)

Los circuitos analógicos siempre son de bajo voltaje, generalmente 24 VCC. Como resultado, no es necesario fusionar circuitos analógicos individuales para la seguridad del personal. Además, la mayoría de los módulos de E/S analógicos tienen circuitos limitadores de corriente integrados.

Por lo tanto, generalmente no es necesario fusionar para proteger los módulos. Si se cumplen estas dos condiciones (y el diseñador debe confirmarlo con el fabricante), se puede evitar la fusión por punto si se desea.

Si un diseñador desea ahorrar dinero al no fusionar cada punto, se debe considerar la posibilidad de agrupar los circuitos en zonas de control de daños.

Por ejemplo, si hay un par de bombas, una principal y una de respaldo, los instrumentos para las dos deben estar en grupos de fusibles separados para evitar que un solo fusible fundido las destruya a ambas. Para obtener más información, consulte Particiones de E/S en el índice.

b. Inmunidad al ruido

Los circuitos analógicos son susceptibles al ruido electrónico. Si, por ejemplo, un cable analógico se encuentra junto al cable de alto voltaje de un motor, entonces el cable de señal analógica actuará como una antena, captando el ruido acoplado magnéticamente generado por el motor.

Existen otras fuentes de ruido, como la radiación de radiofrecuencia (RF) de un walkie-talkie. El ruido en un cable de señal analógica puede provocar errores en la lectura del valor de la señal, lo que a su vez puede causar una multitud de problemas en el sistema de control.

Algunas formas de mitigar el ruido incluyen:

• Cables de par trenzado:

El ruido electrónico se puede reducir en gran medida mediante el uso de cableado de par trenzado. La mayoría de los instrumentos utilizan dos cables para transmitir sus señales. La corriente fluye hacia el dispositivo en un cable y regresa desde el dispositivo en el otro.

Si estos cables están trenzados, entonces el ruido inducido será casi el mismo en cada cable.

La magnitud del flujo de corriente inducida es idéntica en cada conductor, pero viaja en direcciones opuestas, cancelando así la mayor parte del ruido.

• Blindaje:

Otro refinamiento en el rechazo del ruido es el blindaje, es decir, el uso de una malla o blindaje de lámina con conexión a tierra alrededor de los conductores. Como se mencionó anteriormente, el blindaje nunca debe estar conectado a tierra en más de un lugar para evitar bucles de tierra.

La mayoría de los fabricantes de instrumentos recomiendan conectar a tierra el blindaje en el instrumento de campo. Sin embargo, un mejor lugar para hacerlo es en el panel de maniobras.

Es más fácil verificar y gestionar las conexiones a tierra si están en un solo lugar. Además, es posible garantizar una buena conexión a tierra en ese punto.

• Conducto:

Un último refinamiento en el rechazo de ruido es el conducto metálico conectado a tierra. Esto rara vez se requiere, excepto para cables de comunicaciones de datos y para circuitos particularmente críticos.

c. Detector de temperatura de resistencia (RTD)

Un RTD está hecho de un trozo especial de cable cuya resistencia eléctrica cambia de manera predecible cuando el cable se expone a temperaturas variables.

El material de elección hoy en día es platino de 100 ohmios, aunque a veces se utilizan otros tipos, como cobre de 10 ohmios. Para el RTD de platino, la clasificación es de 100 ohmios a 0 ºC.

Los cambios de resistencia con la temperatura son muy pequeños, lo que provoca variaciones de voltaje en el rango de milivoltios.

Los RTD están conectados a un circuito de puente de Wheatstone que está sintonizado con el RTD. Pero esta sintonización se produce en el banco de pruebas.

¿Qué sucede en el entorno de campo? Ya hemos analizado las dificultades de atenuación de línea inherentes a las señales de milivoltios (Capítulo 4). Este problema se supera en el circuito RTD mediante el uso de una o dos entradas de detección.

Estas entradas ayudan a anular los efectos de las pérdidas de cobre debido a líneas largas y variaciones de temperatura a lo largo de ellas y son cables adicionales que deben incluirse en el cable RTD, de ahí los términos RTD de tres y cuatro cables.

d. Termopar

Como hemos analizado, un termopar explota la fuerza electromotriz (EMF) que surge de los cambios de temperatura que afectan a dos metales diferentes que se han laminado juntos.

Esta EMF se manifiesta como una señal de milivoltios (CC). Cuando se unen ciertas combinaciones de estos metales diferentes, se produce una curva predecible de temperatura a voltaje a medida que cambia la temperatura en la unión.

La señal se mide en el extremo abierto de los dos cables y se utiliza una escala de milivoltios por grado para convertir el voltaje a unidades de ingeniería.

Por lo tanto, el termopar es un dispositivo de dos cables. Es susceptible al ruido radiado e inducido y, por lo tanto, suele alojarse en un cable blindado si se extiende por una distancia muy larga. La señal del termopar también es susceptible a la degradación debido a la pérdida de línea, por lo que es conveniente minimizar la longitud del cable.

Además, es importante utilizar el cable de extensión adecuado. Un termopar suele venir con una conexión de coleta corta a la que se debe conectar el cable de extensión. Si se utiliza un material de cable diferente, como cobre, para extender la señal al PLC, se crea una "unión fría" espuria que provoca un EMF inverso que cancela parcialmente la señal.

Por lo tanto, se debe utilizar el cable de extensión adecuado o se debe instalar un dispositivo llamado compensador de unión fría o referencia de punto de hielo entre el cableado de cobre y el cableado del termopar.

Los módulos de E/S de termopar ya tienen la compensación de unión fría incorporada, por lo que se requiere el uso del cable de extensión de termopar adecuado.

Los tipos específicos de termopares presentan diferentes características de temperatura. Un termopar tipo J se forma uniendo un cable de hierro con un cable de constantán.

Esta configuración proporciona una curva relativamente lineal entre 0 y 750 ºC.8 Un termopar tipo K tiene un cable de níquel-cromo acoplado a un cable de níquel-aluminio, a veces llamado cromel/alumel.

El termopar tipo K abarca un rango de temperatura útil de -200 a 1250 ºC. Otras combinaciones producen diferentes curvas de respuesta.

e. 0–10 milivoltios (mV) Analógico

Las señales analógicas se generaron primero mediante modulación de voltaje. En la antigüedad, un transmisor generaba una señal débil que debía capturarse y luego filtrarse y amplificarse para poder usarse para mover un bolígrafo en una grabadora o una aguja en un medidor. El talón de Aquiles de la señal de milivoltios es su susceptibilidad al ruido eléctrico.

Este problema de relación señal-ruido aumenta en función de la longitud del cable, por lo que el transmisor debía estar muy cerca del indicador o registrador.

En la actualidad, las señales de milivoltios se envían, en general, a transductores que convierten la pequeña señal en una corriente o en otros medios (como valores de datos digitales) menos susceptibles al ruido y a la pérdida de decibelios (dB) antes de abandonar la proximidad del elemento sensor. Sin embargo, algunos registradores y sistemas de adquisición de datos aún funcionan con la señal de milivoltios.

f. Analógica de 4 a 20 miliamperios (mA)

El impulso para superar las deficiencias de atenuación de línea de la señal de milivoltios dio como resultado el desarrollo del bucle de corriente de 4 a 20 mA.

Como resultado de su rendimiento enormemente mejorado, este método de transmisión de señales analógicas se convirtió rápidamente en el estándar de la industria. La mayoría de los instrumentos de campo del mercado tienen un elemento sensor (sensor) y un elemento transmisor.

El transmisor está sintonizado con el sensor, que puede proporcionar cualquier tipo de señal, desde analógica modulada en frecuencia hasta milivoltios de CC.

Cualquiera que sea la forma de la señal, el transmisor la interpreta y la convierte en una corriente de salida entre 4 y 20 mA y, dentro de ese intervalo, es proporcional en magnitud a la entrada. El proceso de ajustar la salida a la entrada se denomina escalado.

De este modo, el transmisor se convierte en lo que se conoce como una fuente de corriente variable. Así como una batería, como fuente de voltaje, intenta mantener un voltaje constante, independientemente de la cantidad de carga que se le aplique, la fuente de corriente intenta mantener una corriente constante (para una señal de entrada dada), independientemente de la carga.

Dado que la corriente es común en todos los puntos de un circuito en serie, el problema de la longitud del cable (como se señaló como un problema con la señal de milivoltios) se anula.

Por supuesto, la capacidad del dispositivo para forzar una corriente constante a través de un circuito se puede superar si se aplica suficiente carga. Por lo tanto, el diseñador debe saber cuánta energía es capaz de producir la fuente de corriente.

En general, los instrumentos actuales pueden mantener 20 mA con una resistencia de circuito de 1000 ohmios. Dado que un instrumento típico no tiene más de 250 ohmios de resistencia de entrada, es posible alimentar varios instrumentos desde una sola fuente de corriente sin necesidad de un aislador.

Por ejemplo, un solo transmisor debería poder enviar su señal a un PLC, un registrador gráfico y un totalizador a un costo de 750 ohmios, más la resistencia de línea. Esto debería estar dentro de la zona de confort de un transmisor típico.

Nota: todavía hay instrumentos con clasificaciones de 600 ohmios en el mercado, por lo que el diseñador siempre debe verificar cuando se contemple un circuito complejo.

Para determinar la energía disponible para el circuito, el diseñador debe poder identificar al proveedor de esa energía. Esa tarea a veces no es tan sencilla como podría parecer, y la respuesta a la pregunta afectará en gran medida el cableado del circuito.

Hay dos tipos principales de circuitos analógicos, como se describe desde el punto de vista del transmisor. Los transmisores con dos cables se consideran dispositivos pasivos que absorben corriente, mientras que los transmisores con cuatro cables son dispositivos activos que generan corriente.

La siguiente figura muestra tres transmisores de temperatura, cada uno conectado a diferentes puntos de E/S en el mismo módulo PLC.

Un transmisor se alimenta directamente (es decir, con cuatro cables), mientras que los otros se alimentan indirectamente (es decir, con dos cables). Cada transmisor está conectado a un dispositivo de control, en este caso, una entrada de PLC.

Desde la perspectiva del PLC, todas las entradas de corriente de 4–20 mA son en realidad entradas de voltaje. Se utilizan resistencias, ya sean externas proporcionadas por el usuario, como se muestra aquí, o internas, para convertir la corriente en voltaje.

Los puntos de la computadora en sí son en realidad voltímetros de alta resistencia, lo que les da un excelente aislamiento de los dispositivos de campo y minimiza la carga adicional en el circuito de entrada.

Los puntos de E/S en el PLC se muestran con energía interna disponible para cada punto, por lo que el módulo puede ser la fuente de voltaje para el bucle.

A continuación se incluye un comentario detallado sobre las diferencias entre los dispositivos de dos y cuatro cables:

1. Circuito de cuatro cables

Como se ve a continuación, un transmisor de cuatro cables es aquel que proporciona la energía para alimentar el bucle y generar la señal modulada por corriente.

La mayoría de los transmisores de nivel, por ejemplo, son dispositivos de cuatro cables. Los dispositivos de cuatro cables siempre tienen conexiones de alimentación además de las conexiones de señal. Sin embargo, no todos los transmisores alimentados son de cuatro cables.

Si la salida de un transmisor alimentado se indica como pasiva, entonces el dispositivo puede tratarse como una unidad de dos cables desde el punto de vista del circuito de señal.

La mayoría de los dispositivos de grabación reciben alimentación externa, pero son pasivos en el circuito. En estos casos, la alimentación externa es solo para la electrónica interna de la unidad.

El circuito de señal está aislado de esta fuente de alimentación. Tenga en cuenta que el grabador que se muestra en el circuito inferior es un dispositivo pasivo alimentado.

2. Circuito de dos cables

Se dice que un dispositivo de dos cables está alimentado por bucle. Esto significa que el dispositivo funciona absorbiendo la energía que necesita para generar la señal del bucle de corriente.

Esto también se conoce como "disipación de corriente". Esta nomenclatura puede ser un poco confusa porque un transmisor que está absorbiendo corriente sigue siendo la fuente de señal para el circuito. La energía para el bucle de corriente se suministra en otra parte.

Un transmisor clasificado como de dos cables normalmente debe ser el primer dispositivo en el circuito con respecto al flujo de corriente.

En otras palabras, el terminal positivo del transmisor debe estar conectado directamente al terminal positivo de la fuente de voltaje. La fuente de voltaje suele ser una fuente de alimentación de 24 VCC.

(a) Circuitos de dos cables con fuente de alimentación independiente

En referencia a la Figura anterior, el punto de E/S 2 del PLC representa un circuito de dos cables con una fuente de alimentación de CC externa.

Observe que los cables deben estar enrollados (en sentido de polaridad) en el PLC para que la polaridad adecuada esté presente en el punto de E/S.

Esto se debe a que el flujo de corriente ahora se invierte con respecto al ejemplo anterior, ya que el transmisor debe convertirse en la primera carga del bucle en lugar de ser la fuente de energía del bucle.

(b) Circuitos de dos cables con fuente de alimentación interna del PLC

La mayoría de los sistemas PLC actuales pueden generar la corriente del bucle por sí mismos simplemente conectando el terminal positivo del transmisor a un terminal diferente en el PLC.

El terminal negativo del transmisor se conecta entonces al lado positivo del punto de E/S, y el lado negativo del punto de E/S se conecta al común de CC del sistema PLC.

Esto se muestra en el ejemplo del punto de E/S 3. En ese ejemplo, se ha añadido un registrador al bucle.