Técnicas de cableado de señales digitales de PLC

En una planta de proceso, el control de encendido/apagado se realiza a través del PLC o DCS.

La siguiente figura es una descripción general de un circuito discreto/digital (encendido/apagado), que muestra todo el proceso desde la fuente de alimentación a través del sensor y hasta el PLC.

Técnicas de cableado de señales digitales de PLC

En la figura anterior, se monta un interruptor de nivel en un recipiente. El interruptor es monitoreado por un módulo de entrada digital de PLC. El circuito se alimenta a través de un disyuntor (CB2) en un panel de alimentación de instrumentos.

La alimentación principal se lleva a un panel de clasificación, donde la energía se divide, alimentando múltiples circuitos con fusibles. El fusible 03FU es el fusible de desconexión principal, mientras que los fusibles restantes son fusibles de distribución. El fusible 06FU alimenta nuestro circuito.

El cable activo (eléctricamente vivo) 06A se pasa a la caja de conexiones de campo (FJB) como un cable en un cable multiconductor. Este cable, a veces llamado cable principal o cable de conexión, se conecta en la caja de conexiones de campo (FJB), donde, en este ejemplo, se alimentan dos cables de par trenzado sin blindaje al dispositivo final, LSH-47.

Esto deja un conductor de repuesto. El cable activo 06A llega al terminal + del contacto de forma A y se conecta al terminal H para activar la electrónica del interruptor de nivel.

El número de cable cambia a través del contacto de relé a 06B. Este cable envía la señal de regreso a la FJB, donde la señal se pasa de regreso al gabinete de terminación a través del cable de conexión de múltiples conductores.

Allí, la señal y el neutro se emparejan y pasan al módulo PLC. Tenga en cuenta que el cable neutro de retorno, etiquetado 02N (ya que es el cable de retorno para CB2), se divide hacia el PLC y el interruptor de nivel.

NOTA: Siempre es recomendable utilizar un cable de par trenzado cuando se conecta a un sistema PLC. Los cables de par trenzado presentan una excelente inmunidad al ruido, lo que resulta particularmente útil cuando se conectan a cargas de alta impedancia, como las que se encuentran en los módulos de E/S de PLC/DCS.

Una carga de alta impedancia puede ser particularmente sensible al ruido, ya que la corriente que la acompaña es muy baja y la cantidad de trabajo real que se realiza es mínima.

Eso es todo, en pocas palabras. A continuación, se incluye un comentario sobre los problemas de conectividad relacionados con el cableado de señales de PLC/DCS.

a. Sumidero y fuente

Los términos sumidero y fuente se utilizan para describir la forma en que un componente particular del circuito se relaciona con el flujo de energía. Estos términos en realidad provienen de la época de la lógica de transistores.

Se puede pensar en un transistor como un simple interruptor para esta discusión (Figura siguiente).

DC (+) es el terminal positivo de CC, DCC es CC común

Este tipo de transistor requiere una pequeña resistencia en su colector (el lado superior) para limitar la corriente.

En el ejemplo del caso 1,

la resistencia está en su lugar, con la carga mostrada en serie con el emisor del transistor. Cuando el transistor conduce, la corriente fluye a través de la resistencia, el transistor y luego a través de la carga.

Este circuito no se usó mucho porque la corriente se divide a través del circuito interno, dejando menos energía disponible para impulsar la carga y elevando las temperaturas en el módulo de E/S.

Caso 2

Esto proporciona un circuito de fuente más típico, donde la salida del PLC, al apagarse, cambia la corriente de carga completa para impulsar la carga. Cuando la salida se enciende, el transistor conduce, lo que hace que la mayor parte de la corriente se desvíe a través de él, privando a la carga y, por lo tanto, desenergizándola.

La desventaja de esta configuración es que seguirá habiendo una pequeña corriente de fuga a través de la carga, ya que una cierta cantidad de corriente seguirá dirigiéndose a través de la carga, aunque no lo suficiente, por lo general, para hacer que la carga permanezca energizada. Sin embargo, al solucionar problemas, se detectará un pequeño voltaje a través de una carga desenergizada.

En el ejemplo del Caso 3,

la carga es la resistencia del colector. Cuando el transistor conduce, la carga se energiza. Desde el punto de vista de la electrónica de la placa, esta es una mejor configuración porque la mayor parte del calor se disipa por la carga.

La desventaja de esta configuración es que “cambiar el neutro” es contra-intuitivo y puede ser inseguro, ya que el voltaje completo está presente tanto en los terminales positivo como negativo de la carga cuando se desenergiza.

Por estas razones, el Caso 2 ha evolucionado hasta convertirse en la configuración de salida más común. Este concepto de sumidero/fuente se puede extender a cualquier circuito.

b. Protección del circuito (fusible)

La mayoría de los módulos de E/S tienen fusibles internos. Sin embargo, eso no significa mucho para el usuario. Si bien el fusible interno limita el daño al módulo en sí, en la mayoría de los casos el módulo aún debe enviarse a la fábrica para su reparación. Por lo tanto, el resultado final es el mismo para el usuario: un módulo roto.

Como resultado, es una buena práctica agregar fusibles externos a cada punto de E/S, con una capacidad nominal apenas inferior a la capacidad nominal del fusible en la placa de circuito del módulo. Si bien esto limita el tamaño de la carga que puede ser accionada directamente por el módulo, el fusible interno y el módulo están protegidos.

Precaución: Si las salidas discretas con fusibles internos están integradas en cadenas de interbloqueo, o si están en circuitos que dependen de contactos normalmente cerrados para iniciar acciones de seguridad, se debe utilizar otro tipo de módulo que no esté fusionado.

O se pueden implementar relés de interposición. Es posible que el punto de E/S funcione normalmente (por ejemplo, cerrar sus contactos e informar al programa que los ha cerrado) pero que aún así no pase energía debido a un fusible interno fundido.

c. Circuitos de entrada digital (DI)

Los módulos de entrada digital (DI) escanean continuamente sus puntos de entrada para detectar la presencia o ausencia de voltaje. Si hay voltaje, se escribe un 1 en una ubicación de memoria. Si no hay voltaje, se escribe un 0 allí.

El tipo y la magnitud del voltaje requeridos son dos de los factores que distinguen un módulo DI de otro.

La mayoría de los puntos DI tienen una alta impedancia, lo que minimiza la cantidad de corriente absorbida y, por lo tanto, tienen un efecto relativamente menor en el sistema de distribución de energía.

Cada punto de entrada digital puede considerarse como una lámpara, que está encendida o apagada. Los módulos DI pueden estar aislados eléctricamente punto a punto, o pueden agruparse conectando internamente el común de E/S.

La mayoría de los módulos actuales están agrupados, ya que la agrupación permite una mayor densidad. Como hemos visto, las densidades de puntos de hasta 32 puntos por módulo son comunes en la configuración agrupada.

La siguiente figura muestra dos módulos DI diferentes. El primer módulo conecta internamente el lado CC(+) del circuito. El punto de E/S luego pasa energía al dispositivo de campo.

Este tipo de módulo se denomina módulo de suministro. Esta configuración es inusual. La conmutación del lado común en el campo normalmente no se realiza.

Si el módulo conecta internamente el lado común de CC del circuito, entonces el módulo se considera un módulo de sumidero.

El punto de E/S completa la ruta al común de CC. Esta configuración se utiliza en la gran mayoría de los casos porque permite que cada punto de E/S se fusione individualmente cerca de la fuente de alimentación antes de que la energía se distribuya al dispositivo de campo.

En cualquier caso, la corriente fluye en la misma dirección a través del interruptor montado en el campo.

d. Circuitos de salida digital (DO)

Los contactos de relé se consideran dispositivos de salida porque obligan a otros dispositivos a reaccionar cuando cambian de estado. Las salidas digitales de PLC pueden considerarse como contactos de relé.

En muchos casos, eso es simplemente lo que son. En otros, el elemento de conmutación puede ser un dispositivo de estado sólido de algún tipo. Incluso en ese caso, la analogía del relé funciona siempre que el diseñador recuerde considerar la corriente de fuga.

Los módulos DO encienden y apagan el voltaje para hacer que un dispositivo externo cambie de estado. Estos módulos son "aislados" o "no aislados". Si un módulo no está aislado, entonces es de sumidero o de fuente.

1. Circuitos DO aislados

Un circuito DO aislado es uno en el que la fuente de energía se puede aislar entre puntos de E/S. La fuente no está conectada a un bus interno. El costo es de dos terminales por punto, por lo que es caro.

Hay tres fuentes de energía mojada, con los puntos 1, 2, 4, 5 y 6 aislados del punto 3 y los puntos 7 y 8.

En este ejemplo, se alimenta CA al punto 3, mientras que las señales CC están en los puntos restantes. Hacer esto demuestra las posibilidades. En la práctica, es una buena idea separar las señales CA y CC si es posible.

2. Circuitos DO no aislados

Al igual que con el módulo PLC DI, la densidad de puntos es una característica importante de los módulos DO. Como se puede ver en el módulo aislado en la Figura, el aislamiento tiene un precio.

Un módulo de 16 terminales tiene una densidad de puntos de solo ocho, ya que se necesitan dos terminales por punto. Al conectar internamente un común, la densidad de puntos se puede mejorar drásticamente.

Sin embargo, el resultado es un módulo no aislado que impone límites al diseñador. Las fuentes de energía deben administrarse. En la mayoría de los casos, esto no es un problema, ya que es posible extender la alimentación de E/S del PLC al dispositivo de campo.

Sin embargo, si un dispositivo de campo debe generar su propia señal, se debe agregar un relé de interposición al circuito para proporcionar aislamiento.

La figura anterior muestra dos módulos de salida digital diferentes. El primero conecta internamente el lado CC(+) del circuito. El punto de E/S proporciona una ruta a la alimentación, lo que lo convierte en un módulo de suministro.

Si el módulo conecta el lado común de CC del circuito, como se muestra en la figura anterior, ejemplo 1, entonces el módulo se considera un módulo de sumidero. El punto de E/S completa la ruta al común.

Este tipo de módulo rara vez se usa hoy en día debido a la conmutación del lado común. El ejemplo 2 es mucho más común, ya que coloca la acción de conmutación por delante de la carga en términos de flujo de corriente.