miércoles, 28 de septiembre de 2016

Guías Scade - Escalera y PLC

1GUIA SCADE ESCALERA

  1.       Para qué sirve el lenguaje escalera o scade?
  2.          Dibuje un diagrama de un circuito eléctrico de un motor con llave a 120 v,  describa sus partes.
  3.          Dibuje el mismo circuito en lenguaje escalera o scade, describa sus partes
  4.         Simbología: Dibuje y diga q sirve lo siguiente:  X, Y, CR
  5.          Realice los dibujos de los circuito equivalente: AND, OR, NOT
  6.          Dibuje y explique las llaves    Normal Abiero  Normal Cerrado
  7.          Dibuje y explique el funcionamiento de un relay (relevador electromagnético)
  8.          Dibuje el mismo circuito pero en lenguaje escalera.
  9.          Explique cómo conectar un motor.
  10.         Realice el diagrama escalera de un circuito de control de un motor reversible


Guia PLC

1)      Dibujar la bornera de un PLC, Describa para que sirven las letras:  L1, L2, X, Y, Common, Source
2)      Para qué sirve el programing port?
3)      Para qué sirve y cómo funciona el RS 232?
4)      Realice el esquema y dibuje la conexión para hacer andar un pulsador.
5)      Realice el esquema Scade y explique el funcionamiento de una automatización para llenar un tanque de agua sin que se rebalse

6)      Como están compuestos los PLC grande que usan rack y los plc comunes

Suerte... profe Dany

lunes, 2 de noviembre de 2015

Programación Escalera o Scada y PLC



Además de la representación que hemos venido utilizando en este libro de circuitos lógicos capaces de llevar a cabo alguna función, existe otro tipo de representación de los mismos ampliamente utilizada en aplicaciones industriales de automatización y control digital. Se trata de los diagramas de escalera lógica (logic ladder diagrams), conocidos simplemente como los diagramas de escalera. Los diagramas de escalera son un lenguaje visual que permite llevar a cabo la programación de los controladores lógicos programables conocidos comúnmente en la literatura técnica por sus siglas PLC (del inglés Programmable Logic Controller). Esto, en cierta forma, es nuestro punto de introducción hacia las ramas de la robótica y la mecatrónica.

Hablando en términos generales, los circuitos integrados tratados previamente son circuitos integrados utilizados fundamentalmente para el procesamiento de datos, para el procesamiento de información, en los cuales se desea economizar al máximo el consumo de energía, y por lo tanto han sido diseñados para poder operar con corrientes eléctricas muy pequeñas. Ciertamente, no son capaces de poder manejar las corrientes eléctricas necesarias para poder encender y apagar motores. Esto requiere de componentes eléctricos para uso pesado (heavy duty) tales como los relevadores electromecánicos estudiados al principio de este libro o como los rectificadores controlados de silicio SCR y losthyristores. Sin embargo, es deseable mantener la misma flexibilidad de poder interconectar estos elementos de control siguiendo un esquema de fácil interpretación y mantenimiento como el que proporcionan los diagramas convencionales de las funciones lógicas básicas. Considérese el siguiente diagrama elemental de un motor activado directamente con voltaje de 120 volts de corriente alterna (el cual podría ser el motor de un abanico casero, de un taladro, o de una licuadora):


En este diagrama eléctrico cuando el interruptor S se cierra, el motor es energizado y comienza a funcionar, y cuando el interruptor S se abre, el motor deja de funcionar. Con un poco de imaginación, podemos visualizar este diagrama como el peldaño de una escalera, y en efecto este es posiblemente el diagrama de escalera más sencillo que podamos trazar. En un diagrama de escalera, la fuente de energía es representada por los dos "rieles" verticales de la escalera, mientras que los peldaños de la escalera son utilizados para representar los circuitos de control. Los contactos normalmente abiertos de un interruptor o de un relevador son representados mediante dos líneas paralelas verticales (es importante no confundir este símbolo con el símbolo utilizado en los textos de electricidad y electrónica para representar capacitores), mientras que los contactos normalmente cerrados de un interruptor o de un relevador son representados mediante dos líneas paralelas atravesadas con una línea diagonal. Si convenimos en representar la acción de "encendido" del interruptor S como una entrada simbolizada con la letra A y la salida resultante (el encendido del motor) con un círculo y una letra Y, el diagrama de escalera para el circuito anterior será el siguiente:
(Es importante no confundir el símbolo utilizado para representar un interruptor como el interruptor A en el diagrama de arriba con el símbolo utilizado para representar un capacitor en los diagramas eléctricos convencionales.)

Un diagrama de escalera puede contener peldaños al igual que una escalera verdadera. Cada peldaño debe contener una o varias entradas, y una o varias salidas. La primera instrucción en un peldaño, puesta del lado izquierdo, siempre debe representar la acción de una entrada, y la última instrucción de un peldaño, puesta del lado derecho, siempre debe representar la acción de una salida.

Para nuestra discusión, adoptaremos aquí la siguiente simbología:

X se usará para representar entradas

Y se usará para representar salidas

CR se usará para representar relevadores de control
En un circuito que conste de varias entradas y/o varias salidas y/o varios relevadores de control, a cada uno de estos símbolos se les añadirá un número con el fin de distinguir distintos tipos de entradas, distintos tipos de salidas, y distintos tipos de relevadores de control. De este modo, X1, X2 y X3 representan tres entradas diferentes que pueden ser cada una de ellas interruptores normalmente abiertos:
 o interruptores normalmente cerrados:
A continuación tenemos el equivalente de la función lógica OR en un diagrama de escalera, en la cual si cualquiera de los interruptores X1 ó X2 o ambos son cerrados el motor Y arrancará:
Es importante tener en cuenta que el origen de los interruptores X1 y X2, aunque ambos activen la misma salida Y, puede ser diferente. Puede tratarse de dos interruptores situados en puntos remotos de una fábrica, o pueden ser interruptores activados por operadores situados en máquinas distintas. Sin embargo, la acción de ambos interruptores no sólo es algo parecido a la función lógica OR, son la función lógica OR, implementada en un diagrama de escalera.

A continuación tenemos el equivalente de la función lógica AND, en la cual es necesario que ambos interruptores X1 y X2 estén cerrados para que la salida Y pueda ser activada:
 Y por último, la función inversora NOT se puede implementar en un contacto de entrada utilizando un interruptor que en lugar de estar normalmente abierto está normalmente cerrado, teniendo así el equivalente de la función lógica NOT ya que es necesario "encender" al interruptor X abriendo el contacto para apagar el suministro de energía a la salida Y:
Tenemos pues el equivalente de las tres funciones lógicas básicas para los diagramas de escalera. Y con esto podemos representar cualquier circuito lógico como los que hemos estudiado anteriormente en este libro.

Las expresiones Boleanas usadas en los circuitos combinatorios lógicos convencionales pueden ser "traducidas" con pocos problemas hacia un diagrama de escalera. Tal es el caso de la expresión Boleana:
Y = ABC

cuya implementación en un diagrama de escalera es la siguiente:

mientras que para la siguiente expresión Boleana:

Y = ABC + ABC

su contraparte en un diagrama de escalera es:



Los interruptores mostrados en estos diagramas de escalera son interruptores que pueden ser activados tanto por intervención humana como por acción de algún sensor (temperatura, presión, humedad, etc.) Sin embargo, cuando queremos destacar en forma muy explícita algún interruptor que será accionado manualmente por una persona, podemos utilizar el siguiente símbolo cuando se trata de un interruptor normalmente abierto:

 o bien el siguiente símbolo cuando se trata de un interruptor normalmente cerrado:
De este modo, un interruptor normalmente cerrado X activado manualmente cuya función no es permitir el paso de la corriente eléctrica a una carga Y sino cerrar el paso de la corriente eléctrica a dicha carga tendrá la siguiente representación en un diagrama de escalera:

 Es importante tener en mente que la notación que hemos presentado aquí, aunque difundida en muchos libros de texto, no es adoptada universalmente por todos los fabricantes de equipo cuyo uso está basado en la aplicación de diagramas de escalera. Ejemplo de ello es el siguiente diagrama de escalera que utiliza la notación del fabricante Allen-Bradley:



Este diagrama de escalera representa la misma configuración que vimos previamente cuya expresión Bolena es Y=ABC+ABC.

Una diferencia notoria entre estas funciones lógicas de escalera y las funciones lógicas manejadas por los circuitos integrados es que en el diagrama de escalera los voltajes usados para accionar las entradas pueden ser (y de hecho son en muchos casos) diferentes de los voltajes usados para activar las salidas, de modo tal que una entrada puede representar el accionamiento de un relevador energizado con un voltaje DC de 5 volts, mientras que una salida puede representar la aplicación de un voltaje de 120 volts AC a un motor usando los contactos de salida del mismo relevador. En cierta forma, el uso de un relevador electromecánico (o su equivalente en circuitos semiconductores de alta potencia) nos permite manipular cargas pesadas de voltajes y corrientes eléctricas a través de un voltaje mucho más pequeño empleado para activar la bobina del relevador. Esto nos dá ya una pista de que muchas aplicaciones interesantes tienen su origen con el empleo de relevadores, razón por la cual enfocaremos ahora nuestra atención a estos componentes que fueron el punto de partida para la construcción de los primeros controladores lógicos.

El relevador de control que estaremos utilizando es idéntico al relevador electromecánico que fue introducido al principio del segundo capítulo de esta obra (Las Tres Funciones Lógicas Básicas), excepto que ahora la salida del relevador en vez de ser interpretada todo el tiempo como una señal de voltaje igual al voltaje con el cual es activada la bobina del relevador ahora puede ser algo con niveles completamente diferentes de voltaje y corriente eléctricas, de modo tal que si bastase un voltaje de 5 volts de corriente directa para activar a un relevador, los contactos representativos de la salida del mismo podrían manejar y suministrar un voltaje de 120 volts de corriente alterna para alimentar un motor eléctrico de uso pesado (como el motor del elevador de un edificio) que tal vez consuma una corriente eléctrica tan grande que esta misma corriente eléctrica posiblemente quemaría el alambre de la bobina del relevador (o mejor dicho, lo fundiría.) La entrada del relevador (su bobina) y la salida (o salidas) del relevador que vienen siendo interruptores normalmente abiertos o normalmente cerrados se pueden considerar eléctricamente aisladas e independientes. A continuación tenemos un relevador Potter & Brumfield cuya bobina requiere un voltaje de 24 volts de corriente directa para energizarse cerrando los contactos normalmente abiertos y abriendo los contactos normalmente cerrados:


 Obsérvese que en la cara de este relevador tenemos la explicación clara del diagrama de contactos situados en la parte inferior del mismo; es un relevador que nos proporciona dos interruptores separados (conocidos comúnmente como polos), los cuales al energizarse la bobina no sólo abren al mismo tiempo sus contactos normalmente cerrados sino que cierran otros contactos complementarios (esto se conoce como una acción de dos tiros), y por esto mismo este relevador puede ser clasificado como un relevador de dos-polos dos-tiros (en inglés, DPDT o double-pole double-throw).

A continuación, tenemos un relevador Deltrol Controls, cuya bobina (coil) requiere un voltaje de 12 volts DC para energizarse:
Podemos leer en la carátula del relevador que se trata de un relevador clasificado como 3PST NO (Three-Pole Single-Throw Normally Open), esto es, un relevador que consta de tres interruptores normalmente abiertos los cuales se cierran al ser energizada la bobina. Podemos leer también en las capacidades de manejo de voltaje y corriente que este relevador puede tolerar corrientes eléctricas de 30 amperes a un voltaje de 300 volts, lo cual es suficiente para poder electrocutar a una persona descuidada que no tome las precauciones necesarias en el uso y mantenimiento de este tipo de relevadores de uso pesado.


Los dos relevadores que hemos visto son relevadores cuyas bobinas son activadas mediante la aplicación de un voltaje de corriente directa. Pero también hay relevadores cuyas bobinas pueden ser activadas mediante la aplicación de un voltaje de corriente alternante, como lo es el caso del siguiente relevador de tres polos (interruptores) fabricado por la empresa Deltrol Controls cuya bobina requiere de un voltaje de 24 volts AC para poder accionarse:

Veamos ahora cómo podemos representar la acción de un relevador electromecánico en un diagrama de escalera. Emplearemos en nuestro ejemplo un relevador cuya bobina es accionada con 120 volts de corriente alterna:

Obsérvese el uso de la simbología que habíamos definido previamente para simbolizar a un relevador de control con el símbolo CR (Control Relay). En este diagrama, cuando se cierra el interruptor X1 la bobina del relevador CR1 es energizada, con lo cual el contacto normalmente cerrado (N.C.) se abre cortando el suministro de energía a la salida Y1, mientras que el contacto normalmente abierto (N.A.) se cierra suministrándole energía a la salida Y2. Podemos simplificar este diagrama si convenimos en representar tanto la bobina del relevador como los contactos a la salida del mismo con el mismo símbolo, con lo cual nuestro diagrama de escalera toma el siguiente aspecto:
 Este diagrama de escalera se lee de la siguiente manera: en el primer peldaño cuando se cierra el interruptor X1 el relevador CR1 es energizado; al ocurrir esto el contacto normalmente cerrado de CR1 en el segundo peldaño se abre cortando todo suministro de energía a la salida Y1, mientras que en el tercer peldaño el contacto normalmente abierto de CR1 se cierra suministrándole energía a la salida Y2.

A continuación tenemos un diagrama de escalera que muestra el modo de funcionamiento de un relevador de control que posee dos interruptores (o polos):
Hemos añadido aquí un símbolo nuevo, el símbolo típico de un indicador visual, que puede ser una lámpara, un foco, un diodo emisor de luz LED, una lámpara fluorescente o inclusive una señal proporcionada en el monitor de una computadora, que nos provee de una confirmación de que el relevador de control asociado con nuestro indicador visual está trabajando bien, lo cual puede ser de gran ayuda para los técnicos de mantenimiento.

Si pudiésemos "montar" físicamente sobre un diagrama de escalera real tanto un interruptor que llamaremos A como un relevador capaz de accionar varias salidas al mismo tiempo en respuesta a la corriente eléctrica recibida al cerrarse el interruptor de entrada A, posiblemente veríamos algo como lo siguiente:

Identificando numéricamente a cada uno de los peldaños de la escalera en orden ascendente al ir bajando, el último diagrama de escalera lo podemos leer de la siguiente manera: al ser cerrado el interruptor X1 ya sea manualmente por un operador o como resultado de una señal enviada por algún otro proceso de control, la bobina del relevador de control que está representada por el símbolo CR1 en el primer peldaño es energizada. En el segundo peldaño tenemos a uno de los interruptores normalmente abiertos del relevador de control CR1, el cual al ser energizada la bobina CR1 se cierra, energizando la salida Y1 que puede ser un motor, una bomba hidráulica, un rayo láser o cualquier otra cosa que requiera ser energizada. En el tercer peldaño tenemos a uno de los interruptores normalmente cerrados del relevador que en este caso se convierte en un interruptor normalmente abierto al ser energizada la bobina CR1 del relevador, cortando el suministro de energía a la "carga" de salida Y2. De nueva cuenta, estamos representando con el mismo símbolo tanto al relevador de control (o mejor dicho, a su bobina) como a sus interruptores normalmente cerrados y sus interruptores normalmente abiertos sobre los cuales actúa. Por último, en el cuarto peldaño el interruptor normalmente abierto CR1 se cierra alimentando de este modo al indicador visual Y3, dando una confirmación visual de que el relevador de control CR1 está trabajando. Obsérvese que al energizarse un relevador de control éste afecta directamente y en forma simultánea todos aquellos peldaños en la escalera que incorporen contactos de salida de dicho relevador. Esta es una consideración de vital importancia a la hora de leer diagramas de escalera.

El uso de relevadores electromecánicos nos permite repasar un fenómeno que habíamos encontrado previamente en el estudio de los circuitos lógicos: la aparición de efectos de memoria al llevar a cabo la retroalimentación de señales en circuitos construídos con funciones lógicas básicas, lo cual nos puede llevar a preguntarnos: ¿habrá alguna manera en la cual tales efectos puedan ser reproducidos mediante los diagramas de escalera? La respuesta es afirmativa, y podemos empezar considerando el siguiente diagrama de escalera:
 Al inicio, no hay suministro alguno de energía al relevador de control CR1, lo cual cambia cuando cerramos el contacto del interruptor X1 posiblemente oprimiendo algún botón. Al energizarse la bobina del relevador, el contacto normalmente abierto CR1 en la parte inferior del diagrama se cierra. Una vez que esto ocurre, cuando dejamos de oprimir el botón X1 el relevador CR1 de cualquier modo continuará energizado porque al estar energizado el contacto CR1 del mismo relevador permanecerá cerrrado. En efecto, el interruptor X1 ha dejado de ser relevante. Obsérvese la importancia de lo que está sucediendo aquí. El relevador CR1 puede permanecer energizado gracias a que él mismo está proporcionando lo necesario para que el contacto CR1 permanezca cerrado, lo cual a su vez le permite al relevador CR1 seguir energizado. Esto es nada más ni nada menos que una retroalimentación en la cual el relevador de control CR1 se está ayudando "a sí mismo" a permanecer encendido, es algo que podemos llamar el efecto memoria en los diagramas de escalera. Esta acción es reminiscente de algo que vimos al principio de la sección de problemas resueltos correspondiente al capítulo 5, en donde descubrimos que en el siguiente circuito:

si tanto la entrada A como la salida del circuito eran inicialmente cero, al aplicar un "1" a la entrada del circuito la salida del mismo permanece en "1" aunque la entrada A sea regresada a cero, por estarse retroalimentando la la salida de este circuito a su entrada. Así, del mismo modo que la retroalimentación proporciona memoria a los circuitos lógicos, también proporciona efectos de memoria en diseños de sistemas de control representados con diagramas de escalera. Y esto no se trata de una acción parecida, se trata esencialmente de lo mismo, aunque la diferencia de las representaciones esquemáticas obscurezca un poco el hecho. Al menos en lo que a la teoría básica se refiere, se trata de dos representaciones diferentes de una misma cosa.

El problema que tenemos en esta implementación de efectos de memoria en el diagrama de escalera es que después de que el interruptor X1 ha sido oprimido momentáneamente, el relevador CR1 queda activado permanentemente no habiendo forma alguna de regresarlo a su estado original que no sea el apagar por completo todo el sistema, lo cual es algo que tal vez no queramos hacer. Vemos pues que resulta no solo deseable sino necesario interrumpir de alguna manera el suminstro de energía al relevador CR1 sin que para ello nos veamos obligados a apagar todo el sistema. Podemos hacerlo con el simple hecho de agregar un interruptor adicional de la siguiente manera:
Al inicio, al cerrarse el interruptor X1, el relevador CR1 es activado a través del contacto normalmente cerrado X2 y el contacto normalmente abierto CR1 se cierra. El relevador CR1 permanece encendido por el efecto de retroalimentación, pero si queremos apagarlo entonces todo lo que tenemos que hacer es activar el interruptor X2, lo cual equivale a abrirlo cortando con ello el suministro de corriente al relevador CR1. Esto que hemos hecho es reminiscente a lo mismo que hicimos en la sección de problemas resueltos del capítulo 5 en donde para "limpiar" la memoria insertamos un bloque AND y un bloque NOT en la manera en la que se muestra:
Al principio de este Suplemento, en el primer diagrama de escalera mostrado se utilizó como ejemplo un motor eléctrico de 120 VAC que es energizado al cerrarse un interruptor. Pero este no es el único tipo de motor que existe; hay también motores reversibles en los cuales el eje del motor puede girar en sentido de las manecillas del reloj cuando es energizado de cierta manera, y puede girar en sentido contrario a las manecillas del reloj cuando es energizado de otra manera. Generalmente, este tipo de motores trabaja con corriente eléctrica conocida como corriente trifásica, y requiere de tres cables de alimentación en lugar de dos. El circuito de control para un motor reversible emplea un relevador de uso pesado conocido como contactor, que no es más que un conjunto coordinado de varios contactos que se abren o se cierran de manera simultánea. Podemos visualizar un contactor como un relevador común y corriente el cual al energizarle su bobina con una señal de control cierra al mismo tiempo todos sus contactos normalmente abiertos, permitiendo el paso de corrientes eléctricas separadas a través de varios cables:
 Un diagrama eléctrico de un motor reversible que es controlado alimentándolo de corriente trifásica a través de dos contactores M1 y M2 es el siguiente:
Cuando se cierran los tres contactos normalmente abiertos del contactor M1, los escobillones del motor (1, 2 y 3) son alimentados por la corriente trifásica a través de los alambres A, B y C de modo tal que el motor gira en un sentido que podemos llamar "hacia adelante" (forward), mientras que si los escobillones del motor son alimentados de otro modo por la corriente trifásica cerrándose los tres contactos normalmente abiertos del contactor M2, el motor gira en sentido inverso que podemos llamar "en reversa" (reverse).

Podemos representar en el siguiente diagrama de escalera un circuito de control para este motor reversible:
 En este circuito, tenemos un botón interruptor de corriente stop que es un interruptor normalmente cerrado, el cual puede ser utilizado como un "botón de emergencia" para detener el movimiento del motor sin importar el estado en el que se encuentre. Para echar a andar el motor en un sentido, oprimimos momentáneamente el botón normalmente abierto forward, con lo cual la bobina del relevador M1 que cierra los contactos normalmente abiertos del contactor M1 recibe la corriente eléctrica a través del contacto normalmente cerrado M2. Obsérvese que tenemos en esta sub-sección del circuito una configuración que nos proporciona el efecto memoria, esto con la finalidad de que no tengamos que mantener oprimido todo el tiempo el botón forward para mantener al motor trabajando. Del mismo modo, si queremos echar a andar el motor en el sentido inverso, oprimimos momentáneamente el botón normalmente abierto reverse, con lo cual la bobina del relevador M2 que cierra los contactos normalmente abiertos del contactor M2 recibe la corriente eléctrica a través del contacto normalmente cerrado M2. Obsérvese que tenemos aquí otra sub-sección del circuito con una configuración que también nos proporciona el efecto memoria, independiente de la anterior, también con la finalidad de que no tengamos que mantener oprimido todo el tiempo el botón reverse para mantener al motor trabajando. Una vez que hemos echado a andar el motor ya sea oprimiendo el botón forward o el botón reverse, podemos detener posteriormente al motor oprimiendo el botón stop, lo cual corta de tajo la alimentación de corriente a toda la configuración. En este diagrama aparece otro contacto normalmente cerrado que también en un momento dado puede detener por completo el movimiento del motor, el cual inusualmente aparece en el extremo derecho del diagrama en vez de aparecer en el extremo izquierdo. Se trata del contacto OL, que significa Over-Load, el cual es un componente generalmente puesto cerca del motor (o inclusive dentro del mismo motor) para protegerlo en caso de que se presente una Sobre-Carga de corriente. Esto puede ocurrir en caso de que el motor reciba un peso mucho mayor del que está diseñado para manejar, en cuyo caso el motor se "atasca" quedando expuesto a un sobrecalentamiento que puede terminar destruyéndolo en poco tiempo. El interruptor OL puede ser un interruptor térmico, el cual al aumentar la temperatura arriba de cierto límite se abre interrumpiendo el flujo de la corriente.

En el circuito que acabamos de ver, la presencia aparentemente superflua de los contactos normalmente cerrados M1 y M2 puestos en el mismo tiene un propósito muy específico. Han sido puestos allí en la eventualidad de que el operador del sistema apriete al mismo tiempo los botones forward y reverse. Si no estuvieran allí dichos contactos, las fases A y B de la corriente trifásica entrarían en corto-circuito por el hecho de que el contactor M1 envía las fases A y B directamente hacia el motor mientras que el contactor M2 las invierte. La fase A entraría en corto-circuito con la fase B y viceversa. Para impedir que esto ocurra, es indispensable diseñar el sistema de modo tal que la energización de un contactor impedirá la energización del otro contactor. Obsérvese en el diagrama de escalera que si oprimimos el botón forward, el contacto normalmente cerrado M1 en la sub-sección inferior se abre de modo tal que aunque se oprima el botón reverse no llegará corriente eléctrica alguna al contactor M2. Del mismo modo, si oprimimos el botón reverse, el contacto normalmente cerrado M2 en la sub-sección superior se abre de modo tal que aunque se oprima el botón forward no llegará corriente eléctrica alguna al contactor M1. Esta técnica de protección es conocida como interlocking.

Si pudimos encontrar el equivalente de las tres funciones lógicas básicas dentro de los diagramas de escalera, si hemos podido construír el equivalente de sistemas con memoria mediante los diagramas de escalera, ¿acaso no será posible construír también el equivalente de otros componentes y bloques lógicos en los diagramas de escalera? Tomemos por ejemplo el flip-flop R-S, el cual se puede construír utilizando ya sea bloques NAND o bloques NOR. Los bloques NOR y los bloques NAND se obtienen con las tres funciones lógicas básicas, mismas funciones que también existen en los diagramas de escalera. Y la función de retroalimentación empleada para construír un flip-flop R-S también puede ser implementada en los diagramas de escalera. Esto nos debe convencer de que, en principio, debemos poder construír algo equivalente en funciones al flip-flop R-S dentro de los diagramas de escalera. Esta sospecha nos conduce a un circuito que podemos considerar como una solución al siguiente:

PROBLEMA: Diseñar el equivalente de un flip-flop R-S usando un diagrama lógico de escalera.

Un esquema funcional representativo de lo que andamos buscando es el siguiente:


Si el interruptor normalmente abierto X1 es cerrado así sea momentáneamente, al energizarse el relevador de control CR1 éste relevador por el efecto de la retroalimentación del mismo peldaño que lo alimenta se enciende y se queda encendido, lo cual hace que la salida Y1 en el tercer peldaño se "encienda". Al quedarse encendido CR1 después de haberse oprimido X1, el interruptor normalmente cerrado CR1 que está puesto en el segundo peldaño se abre, cortando así cualquier suministro de corriente que pudiera estarse dando a través de la retroalimentación en dicho peldaño al relevador de control CR2. En otras palabras, esto "limpia" la "memoria" que pudiera haber habido en el segundo peldaño, "apagando" al relevador CR2, lo cual hace que la salida Y2 del cuarto peldaño se "apague" si es que estaba encendida. En este estado de cosas, el relevador CR1 permanece encendido aún con el interruptor X1 abierto, mientras que el relevador de control CR2 permanece apagado, lo cual podemos confirmar visualmente al ver al foco Y1 encendido y al foco Y2 apagado.

Ahora cerraremos el interruptor X2 momentáneamente. Al energizarse el relevador de control CR2 éste relevador por el efecto de la retroalimentación en el mismo peldaño (el segundo peldaño de la escalera) que lo alimenta se enciende y se queda encendido, lo cual hace que la salida Y2 en el cuarto peldaño se "encienda". Al quedarse encendido CR2 después de haberse oprimido X2, el interruptor normalmente cerrado CR2 que está puesto en el primer peldaño se abre, cortando así cualquier suministro de corriente que pudiera estarse dando a través de la retroalimentación en dicho peldaño al relevador de control CR1. En otras palabras, esto "limpia" la "memoria" que pudiera haber habido en el primer peldaño, "apagando" al relevador CR1, lo cual hace que la salida Y1 del tercer peldaño se "apague" si es que estaba encendida. En este estado de cosas, el relevador CR2 permanece encendido aún con el interruptor X2 abierto, mientras que el relevador de control CR1 permanece apagado, lo cual podemos confirmar visualmente al ver al foco Y2 encendido y al foco Y1 apagado. La configuración representada por este diagrama de escalera ha pasado de un estado estable con Y1 encendido al oprimirse X1 a otro estado estable con Y2 encendido al oprimirse X2. Esta configuración tiene dos estados estables y por lo tanto es un multivibrador biestable. Si hacemos ahora un ligero cambio de nombres bautizando al interruptor X1 como S, al interruptor X2 como R, a la salida Y1 como Q y a la salida Y2 como Q, resultará obvio que lo que tenemos en nuestras manos es el equivalente funcional de un flip-flop R-S; en este caso el equivalente de un flip-flop construído con bloques NOR.

El que hayamos podido crear dentro de los diagramas de escalera no sólo un equivalente completo de los circuitos lógicos que hemos estudiado previamente sino también el equivalente de bloques de memoria convirtiendo en realidad un flip-flop R-S completamente funcional nos debe meditar en que la mayor parte de lo que hemos estudiado se puede trasladar directamente hacia los diagramas de escalera. Y en efecto, no hay obstáculo teórico alguno para poder hacerlo. Esto lo podemos enunciar de modo categórico con el siguiente enunciado:

Todos los circuitos lógicos, tanto aquellos que forman parte de la lógica combinatoria como los que forman parte de la lógica secuencial (construída a base de flip-flops) tienen una implementación equivalente en los diagramas de escalera.

Este enunciado tiene un alcance amplio; nos está asegurando que podemos construír mediante diagramas de escalera flip-flops D, flip-flops J-K, contadores binarios, etc. Pero aquí el lector puede ser asaltado por una duda. Si recordamos la acción de contadores secuenciales elementales como el contador binario de conteo ascendente, tenemos un elemento que hasta ahora no hemos encontrado en los diagramas de escalera: el elemento tiempo. Con lo que hemos visto, no se ve una manera obvia de poder suministrar el equivalente de los "pulsos de reloj" a los elementos en un diagrama de escalera que les permita poder comportarse como verdaderos circuitos secuenciales. Los diagramas de escalera que hemos estudiado son en cierta forma configuraciones estáticas en las cuales lo que ocurre en un peldaño puede influír directamente sobre lo que ocurre en otros peldaños, pero estos efectos son inmediatos, el factor tiempo no interviene en ellos. Si queremos extender los diagramas de escalera para cubrir también todos los circuitos secuenciales que hemos estudiado en esta obra, necesitamos introducir algún relevador de control en el cual la acción de un tiempo predeterminado tenga un efecto directo, y esto es precisamente lo que haremos a continuación.


Sin lugar a dudas, el empleo de relevadores electromecánicos nos suministra con una herramienta poderosa para muchas aplicaciones de control. Pero existe otro tipo de relevador que nos permite hacer realidad operaciones cronometrizadas, el relevador de retardo de tiempo (time delay relay). En este tipo de relevador, al aplicarle un voltaje a su entrada (a su bobina), la acción en sus salidas no ocurre de inmediato, sino que hay un retardo de tiempo tras el cual obtenemos la acción deseada con las salidas normalmente abiertas convirtiéndose en salidas normalmente cerradas y las salidas normalmente cerradas convirtiéndose en salidas normalmente abiertas. En muchos relevadores de tiempo de uso pesado, este retardo de tiempo puede ser seleccionado con una perilla puesta en el mismo relevador, como ocurre con el siguiente relevador de retardo de tiempo de la emprea Potter & Brumfield cuya bobina es activada con 24 volts de corriente directa:
Naturalmente, también hay relevadores de retardo de tiempo activados con la aplicación de corriente alterna, como el siguiente relevador fabricado por la misma empresa Potter & Brumfield:





La perilla puesta en la parte superior de este relevador nos permite variar el retardo de tiempo desde 1 segundo hasta 10 segundos. Las puntas de los contactos en la parte inferior del relevador están puestas en orden octal (ocho terminales) con la entrada a la bobina aplicada en las terminales 2 y 7. Al serle aplicado un voltaje de 120 VAC a este relevador, el contacto normalmente abierto entre las terminales 1 y 3 se vuelve un contacto normalmente cerrado, ocurriendo lo mismo con el contacto normalmente abierto entre las terminales 6 y 8, mientras que el contacto normalmente cerrado entre las terminales 1 y 4 se abre, ocurriendo lo mismo con el contacto normalmente cerrado entre las terminales 5 y 8. Todo esto después de que ha transcurrido el tiempo seleccionado con la perilla. Podemos leer en el mismo relevador que los contactos pueden manejar una corriente de hasta 10 amperes.

El relevador de retardo de tiempo que se acaba de describir es el de uso más generalizado, pero no es el único posible. Los contactos de un relevador de tiempo tienen que ser clasificados no sólo por ser normalmente abiertos o normalmente cerrados, sino también según la acción del retardo, ya sea que este retardo ocurra en el sentido de la cerradura del contacto o en el sentido de la apertura del mismo.

Desafortunadamente, la simbología para representar los relevadores de retardo de tiempo es amplia y variada, e inclusive mucha de la simbología que hemos visto aquí para representar las entradas, las salidas y los relevadores de control también suele ser diferente de un fabricante a otro. Empezaremos dando aquí la representación de la acción de un relevador de tiempo con un símbolo usado ampliamente aunque no de manera universal:

Obsérvese que seguimos manteniéndonos en la convención de representar tanto la entrada de un relevador (su bobina) como los contactos activados a la salida del mismo con un mismo identificador alfanumérico, en este caso TD1.

En el primer peldaño de la escalera, al cerrarse el interruptor X1 manteniéndose cerrado, la bobina del relevador de tiempo TD1 es energizada. Obsérvese que en el segundo peldaño estamos utilizando uno de los interruptores normalmente cerrados del relevador de tiempo TD1.

El símbolo del interruptor X1 también aparece en el segundo peldaño de esta escalera. Puesto que son peldaños diferentes en los cuales aparece el interruptor X1, se sobreentiende que en este caso estamos utilizando un interruptor de dos tiros, un interruptor doble con ambos polos normalmente encendidos o normalmente apagados a la vez:

 De este modo, al cerrarse X1 suministrándose energía al relevador de tiempo TD1, en el segundo peldaño existe un camino de conducción eléctrica para suministrar energía al "foco" de salida. Si el relevador TD1 fuera un relevador de control ordinario sin acción alguna de retardo de tiempo, entonces el interruptor TD1 en el segundo peldaño se abriría inmediatamente y el foco a la salida se apagaría de inmediato; esto es, nunca lo veríamos encenderse. Pero como se trata de un relevador de retardo de tiempo, la salida normalmente cerrada no se abrirá sino hasta después de que haya transcurrido cierta cantidad de tiempo, digamos un segundo. Una vez que ha transcurrido ese segundo, el contacto normalmente cerrado TD1 en el segundo peldaño se abrirá, cortando el suministro de energía a la salida, aunque el interruptor X1 permanezca cerrado. Esta acción la hemos representado en los diagramas de tiempo puestos debajo del diagrama de escalera, diagramas de tiempo en los que dicho sea de paso nos hemos abstenido de hacer referencia a un "1" lógico o a un "0" lógico como niveles de voltaje en virtud de que la acción lógica que está siendo representada es una de interruptores normalmente cerrados o normalmente abiertos que permiten o impiden el suministro de corriente a la carga de salida.

El relevador de retardo de tiempo, por la forma en la que trabaja, en realidad no es más que otra forma de implementación de un componente que ya habíamos visto en uno de los capítulos de la obra principal: el multivibrador monoestable. Y de hecho, con dos relevadores de retardo de tiempo (uno para controlar la duración del tiempo de encendido y el otro para controlar la duración del tiempo de apagado) podemos construír fácilmente un multivibrador astable, cambiando de un estado a otro en forma alternada mientras esté recibiendo un suministro de corriente; y si los tiempos de encendido y apagado son iguales entonces tenemos algo que nos puede proporcionar "pulsos de reloj" como los que utilizamos en los circuitos lógicos secuenciales para hacer pasar el sistema de un estado a otro. Sin embargo, dado el costo de los relevadores de tiempo, implementar este nivel de sofisticación puede resultar mucho más costoso que introducir tales efectos con la ayuda de alguna microcomputadora dedicada a este tipo de aplicaciones como lo veremos posteriormente.

Veamos ahora otro diagrama de escalera en el cual usaremos otro tipo de relevador de tiempo:


 De este modo, al cerrarse X1 suministrándose energía al relevador de tiempo TD1, en el segundo peldaño existe un camino de conducción eléctrica para suministrar energía al "foco" de salida. Si el relevador TD1 fuera un relevador de control ordinario sin acción alguna de retardo de tiempo, entonces el interruptor TD1 en el segundo peldaño se abriría inmediatamente y el foco a la salida se apagaría de inmediato; esto es, nunca lo veríamos encenderse. Pero como se trata de un relevador de retardo de tiempo, la salida normalmente cerrada no se abrirá sino hasta después de que haya transcurrido cierta cantidad de tiempo, digamos un segundo. Una vez que ha transcurrido ese segundo, el contacto normalmente cerrado TD1 en el segundo peldaño se abrirá, cortando el suministro de energía a la salida, aunque el interruptor X1 permanezca cerrado. Esta acción la hemos representado en los diagramas de tiempo puestos debajo del diagrama de escalera, diagramas de tiempo en los que dicho sea de paso nos hemos abstenido de hacer referencia a un "1" lógico o a un "0" lógico como niveles de voltaje en virtud de que la acción lógica que está siendo representada es una de interruptores normalmente cerrados o normalmente abiertos que permiten o impiden el suministro de corriente a la carga de salida.

El relevador de retardo de tiempo, por la forma en la que trabaja, en realidad no es más que otra forma de implementación de un componente que ya habíamos visto en uno de los capítulos de la obra principal: el multivibrador monoestable. Y de hecho, con dos relevadores de retardo de tiempo (uno para controlar la duración del tiempo de encendido y el otro para controlar la duración del tiempo de apagado) podemos construír fácilmente un multivibrador astable, cambiando de un estado a otro en forma alternada mientras esté recibiendo un suministro de corriente; y si los tiempos de encendido y apagado son iguales entonces tenemos algo que nos puede proporcionar "pulsos de reloj" como los que utilizamos en los circuitos lógicos secuenciales para hacer pasar el sistema de un estado a otro. Sin embargo, dado el costo de los relevadores de tiempo, implementar este nivel de sofisticación puede resultar mucho más costoso que introducir tales efectos con la ayuda de alguna microcomputadora dedicada a este tipo de aplicaciones como lo veremos posteriormente.

Veamos ahora otro diagrama de escalera en el cual usaremos otro tipo de relevador de tiempo:

En este caso, tenemos otro tipo de relevador de retardo de tiempo. Esto debe ser obvio por la diferencia en el símbolo del contacto interruptor TD1; en el diagrama de escalera previo el símbolo era la punta de una flechita empujando el contacto normalmente cerrado hacia arriba dando a entender que en tal relevador de tiempo el contacto normalmente cerrado se abre después de que ha transcurrido un tiempo prefijado, mientras que aquí en este diagrama de escalera el símbolo del contacto interruptor TD1 es la punta de la flechita apuntando hacia abajo, como si estuviera "jalando" al interruptor normalmente cerrado. En este caso, se trata de un relevador de tiempo que es capaz de tener un "pulso" de salida con una duración de tiempo mayor que la entrada que accionó al relevador de tiempo, lo cual es resaltado con los diagramas de tiempo. Aquí, al cerrarse momentáneamente el interruptor X1, el contacto TD1 en el segundo peldaño se activa inmediatamente y permanecerá cerrado aún después de que el interruptor X1 es regresado nuevamente a su condición de interruptor abierto. El tiempo que este relevador de tiempo mantiene cerrado el contacto TD1 suministrando energía a la carga de salida empieza a correr después de que el contacto X1 es devuelto a su condición de normalmente abierto, lo cual no impide que el relevador TD1 continúe operando.

En general, se pueden clasificar cuatro tipos diferentes de relevadores de tiempo:

(1) El relevador de tiempo del tipo "normalmente abierto - apertura cronometrada". En este relevador el contacto normalmente abierto se cierra inmediatamente al energizar su bobina, y se abre a un tiempo predeterminado después de haber sido desenergizada la bobina.

(2) El relevador de tiempo del tipo "normalmente abierto - cerradura cronometrada". En este relevador el contacto normalmente abierto se cierra a un tiempo predeterminado después de haber sido energizada su bobina. Si en cualquier momento la bobina es desenergizada, el contacto de este relevador se abre inmediatamente sin importar su condición anterior.

(3) El relevador de tiempo del tipo "normalmente cerrado - apertura cronometrada". En este relevador el contacto normalmente cerrado se abre a un tiempo predeterminado después de haber sido energizada su bobina. Si en cualquier momento la bobina es desenergizada el contacto de este relevador se cierra inmediatamente sin importar su condición anterior.

(4) El relevador de tiempo del tipo "normalmente cerrado - cerradura cronometrada". En este relevador el contacto normalmente cerrado se abre inmediatamente al energizar su bobina, y se cierra a un tiempo predeterminado después de haber sido desenergizada la bobina.

La simbología utilizada para la representación de estos cuatro tipos diferentes de relevadores de tiempo varía según el fabricante y los textos consultados. Una representación usada con cierta frecuencia es aquella en la cual cada tipo de relevador de tiempo es identificado por la forma en que son dibujados sus contactos, tal y como lo hemos hecho en los dos últimos diagramas de escalera que acabamos de estudiar. Usando este tipo de simbología, los dibujos que corresponden a cada uno de los cuatro tipos mencionados son los siguientes:


La anterior clasificación puede dejar al lector con la impresión de que un fabricante necesitaría construír cuatro tipos diferentes de relevadores de tiempo para satisfacer todos los requerimientos posibles de todos sus clientes, pero esto no es así, ya que por principio de cuentas de un relevador de tiempo del tipo "normalmente abierto - apertura cronometrada" se puede obtener el relevador de tiempo del tipo "normalmente cerrado - cerradura cronometrada" si es construído desde un principio con contactos normalmente abiertos y normalmente cerrados, mientras que de un relevador de tiempo del tipo "normalmente abierto - cerradura cronometrada" se puede obtener el relevador de tiempo del tipo "normalmente cerrado - apertura cronometrada" si también es construído desde un principio con contactos normalmente abiertos y normalmente cerrados.

Más aún, se puede obtener un relevador de tiempo de acción retardada de uno de acción inmediata o viceversa como lo muestra el siguiente

PROBLEMA: A partir de un relevador de tiempo "normalmente cerrado - apertura cronometrada", obtener el equivalente de un relevador de tiempo "normalmente abierto - apertura cronometrada".

En este caso, el relevador de tiempo "normalmente cerrado - apertura cronometrada" es un relevador de acción retardada (el contacto normalmente cerrado se abre después de cierto tiempo) mientras que el relevador de tiempo "normalmente abierto - apertura cronometrada" es un relevador de acción inmediata (el contacto normalmente abierto se cierra de inmediato).

En el circuito mostrado en el siguiente diagrama de escalera:


la acción resultante del circuito será obtenida (observada) en la salida Y (que supondremos se trata de una lámpara). Al oprimirse momentáneamente el botón X, el relevador ordinario CR1 es activado a través del contacto TD1 en el primer peldaño, y permanecerá activado aún después de soltarse el botón X en virtud del contacto normalmente abierto CR1 en combinación lógica OR con el botón interruptor en virtud de haberse cerrado. En el segundo peldaño, el contacto normalmente abierto CR1 también se ha cerrado empezando con la energización de la bobina del relevador de tiempo TD1, y el contacto normalmente abierto CR1 en el tercer peldaño también se energiza activando la salida Y. Resulta obvio que el relevador de tiempo TD1 es un relevador del tipo "normalmente cerrado - apertura cronometrada" porque así lo identifica el símbolo de su contacto puesto en el primer peldaño. Al cabo de un cierto tiempo predeterminado, el relevador de tiempo TD1 actúa de manera tal que el contacto normalmente cerrado TD1 en el primer peldaño se abre, interrumpiendo la alimentación de corriente al relevador ordinario CR1. Esto hace que se corte la energía al relevador de tiempo TD1 en el segundo peldaño y que se corte también la energía a la salida Y. De haber utilizado únicamente el relevador de tiempo TD1 por sí solo, la lámpara Y se habría encendido un tiempo después de haber estado manteniendo oprimido el botón X, mientras que en esta configuración la lámpara Y se enciende de inmediato y se apaga después del tiempo predeterminado.


Con la disponibilidad de relevadores de tiempo de uso pesado, podemos hacer una mejora adicional sobre el circuito de control presentado anteriormente para un motor reversible capaz de girar en una dirección (forward) o en la dirección contraria (reverse) según se requiera. Si el motor estuviera moviendo una carga pesada, por ejemplo un abanico grande, el motor podría continuar girando por su propia inercia durante cierta cantidad de tiempo aún después de haberse oprimido el botón stop, lo cual podría representar un problema en caso de que el operador tratase de invertir la dirección del motor sin esperar a que el abanico se haya detenido completamente. Si el abanico continúa girando mientras va perdiendo velocidad y el botón reverse fuera oprimido antes de que el abanico se haya detenido completamente, el motor trataría de sobreponerse a la inercia rotatoria del abanico al intentar ponerse en marcha en reversa, para lo cual tendría que "jalar" cantidades mayores de corriente eléctrica reduciendo con este maltrato tanto la vida del motor como los engranajes mecánicos del abanico y el abanico mismo. Para impedir que esto pueda ocurrir, queremos añadir alguna función de retardo de tiempo al circuito de control del motor para impedir la ocurrencia de un arranque prematuro. Esto lo podemos lograr agregando un par de relevadores de retardo de tiempo TD1 y TD2, cada uno de ellos puestos en paralelo con cada contactor M1 y M2:



Obsérvese que estamos utilizando aquí dos relevadores del tipo normalmente cerrado - cerradura cronometrada. Al utilizar relevadores de tiempo que tardan en volver a su estado normal, estos relevadores nos pueden proporcionar una "memoria" relacionada con el sentido más reciente del giro del motor. Lo que queremos que haga cada uno de los relevadores de tiempo es abrir el brazo de arranque de la dirección opuesta de rotación por varios segundos mientras el abanico se detiene por completo.

Si el motor ha estado girando en la dirección forward, tanto el contactor M1 como el relevador de tiempo TD1 habrán estado energizados. De ser así, los contactos normalmente cerrados del relevador TD1 se abrán abierto inmediatamente al haber sido energizado dicho relevador. Cuando el botón stop es oprimido, el contacto TD1 esperará un tiempo predeterminado antes de regresar a su estado normalmente cerrado, manteniendo el circuito correspondiente al botón reverse abierto durante todo ese tiempo, de modo tal que el contactor M2 no podrá ser energizado aunque se oprima el botón reverse. Al cumplir el relevador TD1 con su tiempo predeterminado, el contacto TD1 se cerrará y permitirá que el contactor M2 pueda ser energizado si se oprime el botón reverse. Del mismo modo, el relevador de retardo de tiempo TD2 impedirá que el botón forward pueda energizar al contactor M1 hasta en tanto que el retardo de tiempo prescrito para el relevador TD2 (y el contactor M2) no se haya cumplido.

Un circuito de control como el que acabamos de ver generalmente puede ser simplificado con un poco de análisis. Si ponemos un poco de atención, descubriremos que las funciones de protección llevadas a cabo por los relevadores de tiempo TD1 y TD2 han vuelto innecesarios los contactos normalmente cerrados M1 y M2 que habíamos puesto para la función de interlock en caso de que un operador del circuito oprima al mismo tiempo los botones forward y reverse. Por lo tanto, podemos prescindir por completo de tales contactos y utilizar simplemente los contactos TD1 y TD2, puesto que estos se abren inmediatamente en cuanto las bobinas respectivas de dichos relevadores son energizadas, sacando "fuera" a un contactor si el otro contactor es energizado. De este modo, cada relevador de tiempo puede ser usado para una función dual: impidiendo que el otro contactor pueda ser energizado cuando el motor está girando en una dirección, y evitando que tal contactor se pueda energizar hasta que el motor no se haya detenido por completo. Es así como llegamos al siguiente circuito de control simplificado:

 Se había afirmado anteriormente que todos los circuitos lógicos, tanto aquellos que forman parte de la lógica combinatoria como los que forman parte de la lógica secuencial construída a base de flip-flops, tienen una implementación equivalente en los diagramas de escalera, pero que en el caso de la lógica secuencial necesitábamos un relevador que nos permitiera efectuar operaciones cronometrizadas. Esto ya lo tenemos con cuatro diferentes tipos de relevadores de tiempo a nuestra disposición, lo cual nos permite llevar a cabo la construcción del elemento lógico secuencial más importante de todos: el flip-flop J-K. Esto lo podemos enunciar mediante un


PROBLEMA: Construír, sobre un diagrama de escalera, el equivalente funcional de un flip-flop J-K tal que los cambios de estado ocurran durante la transición positiva de los "pulsos de reloj".

Un equivalente funcional del flip-flop J-K construído con relevadores electromecánicos tiene la siguiente representación en un diagrama de escalera:
Este flip-flop J-K, como puede apreciarse analizando el diagrama de escalera, es un flip accionado con las transiciones positivas de los "pulsos de reloj", lo cual en este caso equivale a la cerradura del contacto normalmente abierto C. En este diagrama tenemos los contactos equivalentes a las terminales J y K así como las salidas Q y Q del flip-flop. Este flip-flop J-K electromecánico actúa de la siguiente manera: Cuando las "entradas" J y K son iguales a un "1" lógico, lo cual en este caso requiere que los contactos normalmente abiertos sean cerrados, el flip-flop cambiará de estado con cada transición positiva en la entrada C, o sea cada vez que el contacto normalmente abierto C sea cerrado. Si la entrada J es igual a un "1" lógico y la entrada K es igual a un "0" lógico, el flip-flop entrará en el estado Q=1 (Q=0) cuando el contacto normalmente abierto C sea cerrado, independientemente del estado anterior que el flip-flop haya tenido. Si la entrada J es igual a un "0" lógico y la entrada K es igual a un "1" lógico, el flip-flop entrará en el estado Q=0 (Q=1) cuando el contacto normalmente abierto C sea cerrado, independientemente del estado anterior que el flip-flop haya tenido. Y si ambas entradas J y K están puestas a un "0" lógico, el estado del flip-flop no cambiará ante las transiciones que ocurran en la entrada C.


Recordemos de la sección de problemas resueltos del texto principal cómo del flip-flop J-K podemos derivar los demás flip-flops restantes, tanto el flip-flop T como el flip-flop D. Esto sigue siendo igualmente válido e igualmente fácil de lograr sobre un diagrama de escalera usando relevadores electromecánicos:


PROBLEMA: Construír, sobre un diagrama de escalera, el equivalente funcional de un flip-flop T tal que sus cambios de estado ocurran durante la transición positiva de los "pulsos de reloj".

Recuérdese que el flip-flop T es un flip-flop sin terminales de entrada J-K, el cual simplemente cambia de estado con cada transición positiva (o negativa, según sea el caso) en su única terminal de entrada. Esto lo podemos lograr sobre el diagrama anterior substituyendo en dicho diagrama los contactos normalmente abiertos J y K por una conexión "directa" que garantizará el equivalente permanente de un "1" lógico puesto todo el tiempo sobre dichas terminales, con lo cual tendremos un flip-flop de una sola entrada que cambiará de estado cada vez que el contacto normalmente cerrado C se cierre. El diagrama de escalera para este flip-flop J-K será entonces:

Puesto que todas las funciones lógicas combinatorias y secuenciales se pueden implementar mediante relevadores electromecánicos, y puesto que las computadoras de uso actual están construídas con semiconductores que implementan funciones lógicas combinatorias y secuenciales, esto podría hacer suponer que, en principio, podemos construír una computadora de principio a fin utilizando relevadores electromecánicos. Esto fue precisamente lo que se hizo cuando se construyó en los Estados Unidos la computadora Harvard Mark I y en Alemania cuando se construyó la computadora Z3:

http://en.wikipedia.org/wiki/Harvard_Mark_I

http://en.wikipedia.org/wiki/Z3_(computer)

Sin embargo, aún para nuestros tiempos, una computadora construída con relevadores electromecánicos sigue teniendo un costo mucho mayor que una computadora construída con semiconductores, además de ser muchísimo más lenta que su contraparte construída con millones de transistores puestos en un solo "chip" semiconductor.

La desventaja de relevadores de retardo de tiempo como los que se han señalado aquí como ejemplos es que los rangos de tiempo que pueden ser seleccionados son sumamente limitados, y una vez que han sido seleccionados solo pueden ser alterados manualmente cada vez que ello sea necesario, lo cual es contrario al espíritu de la automatización. Esta desventaja puede ser superada construyendo relevadores de retardo de tiempo que puedan ser programables a través de una circuito controlador, lo cual nos lleva a la necesidad del diseño de controladores programables.

La idea esencial para construír un controlador programable consiste en construír primero un módulo que contenga no uno sino varios relevadores, y el cual en su parte frontal quizá tendrá un aspecto como el siguiente:



Obsérvese que del lado izquierdo tenemos una hilera de tornillos identificados con los símbolos X propios de las entradas representadas en un diagrama de escalera, mientras que del lado derecho tenemos una hilera de tornillos identificados con los símbolos Y propios de las salidas de un diagrama de escalera, siguiendo la práctica de que en los diagramas de escalera las entradas son representadas del lado derecho y las salidas del lado izquierdo. Como el PLC al igual que cualquier otro aparato eléctrico también requiere energía para poder funcionar, este PLC recibe su energía mediante los tornillos L1 y L2 conectados a los rieles de la escalera. Las entradas al PLC serán tomadas del mundo exterior a través de interruptores o sensores y los cables de señal serán fijados en el PLC precisamente con los tornillos. Lo mismo ocurre con las salidas. El uso de tornillos para el fijamiento de cables y alambres es una cuestión de comodidad y conveniencia para los técnicos que habrán de darle mantenimiento a este tipo de aparatos, ya que la alternativa de soldar requiere herramientas que van más allá del uso de un simple desarmador.

A continuación, suponiendo que los rieles de la escalera están siendo alimentados con un voltaje de 120 volts AC, podemos ver cómo la entrada X1 a nuestro PLC es energizada al cerrarse el contacto que corresponde a dicha entrada (el multímetro nos confirma la presencia del voltaje de 120 VAC entre la terminal de entrada X1 y la terminal común identificada como Common):
 El uso de una terminal común Common nos ayuda a reducir la cantidad de alambrado requerida. Sin la terminal común, se requerirían varios pares de cables para proporcionarle energía a cada una de las entradas X del PLC. Usando un cable común de "retorno de corriente" para todos los casos, la cantidad de alambrado se reduce a la mitad. Podemos ver en la representación de nuestro PLC que a un lado de cada tornillo que corresponde a cada terminal de entrada hay un foquito LED que se enciende confirmándole al técnico la activación de dicha entrada.

Ahora tenemos a nuestro PLC energizando la salida Y1 al ser activada dicha salida (el multímetro nos confirma la presencia del voltaje de 120 VAC que está recibiendo la carga):
Posiblemente el lector ya se estará preguntando cuál es la función del conector pequeño que aparece en la parte inferior del PLC identificado como Programming Port.

En tiempos de antaño, antes de que hicieran su aparición los transistores, los circuitos integrados y los microprocesadores, la "programación" por así llamarla se llevaba a cabo manualmente, implementándose todo con relevadores electromecánicos ordinarios y con relevadores de retardo de tiempo, con todas las desventajas operacionales que ello implicaba aunque con la relativa simpleza del mantenimiento de equipos de control automático construído con tales controladores. El PLC que hemos descrito, trabajando prácticamente por sí solo, aún se encuentra en numerosas aplicaciones "viejitas". Pero la revolución tecnológica que estamos viviendo está haciendo posible algo que en otros tiempos hubiera sido impensable: conectar el PLC directamente a una computadora personal PC dejándole a la computadora muchas de las labores de "inteligencia". Esto en otros tiempos hubiera estado fuera de cualquier presupuesto porque mientras que un controlador básico podía tener un costo de algunos cientos de dólares, las computadoras que había tenían un costo de varios millones de dólares. Hoy que la brecha se ha cerrado, la conexión de un PLC a una computadora de escritorio (o inclusive a una computadora portátil de bolsillo) se lleva a cabo precisamente mediante un conector en el PLC identificado con algún nombre como puerto de programación, el cual todavía hasta hace poco era conectado a una computadora a través de un cable bajo el protocolo RS-232 pero más recientemente se está conectando a través de un cable bajo el protocolo USB.

La ventaja inmediata de poder conectar un PLC a una computadora es que en la misma computadora se puede echar a andar algún programa que no sólo muestre el diagrama de escalera que está siendo implementado, sino que inclusive a través del mismo teclado se pueden modificar muchos de los parámetros en el diagrama de escalera sin necesidad de tener que meter la mano dentro del PLC. Todo se lleva a cabo hoy en día directamente desde la computadora.

A continuación tenemos un esquema que ilustra la idea básica de lo que acabamos de describir:



 El recuadro de color ciano representa el monitor de una computadora. El interruptor conectado a la entrada X1 del PLC es representado con el mismo símbolo en el monitor de la computadora en un diagrama de escalera, mientras que el foco conectado a la salida Y1 del PLC es representado también como Y1. Cuando se cierra el interruptor X1 y se energiza la carga Y1, ambas acciones aparecen actualizadas de inmediato en el monitor de la computadora en donde tanto el símbolo para X1 como el símbolo para Y1 se tiñen de color rojo (por su parte, en la misma carátula del PLC se encienden los foquitos LED situados a un lado de los tornillos correspondientes al alambre de entrada a X1 y al alambre de salida a Y1 confirmándole al técnico que esas conexiones al PLC han sido activadas):
Si queremos convertir la entrada X1 en un interruptor normalmente cerrado en vez del interruptor normalmente abierto que tenemos aquí, ya no es necesario "salir afuera" con un desarmador en la mano. Con unas modificaciones a través del teclado de la computadora podemos hacer el cambio como el que vemos en el siguiente dibujo:


 Esta figura parece igual a la figura anterior. Sin embargo, si observamos con cuidado, veremos que en el monitor de la computadora X1 ya no aparece en el diagrama de escalera como un interruptor normalmente abierto sino como un interruptor normalmente cerrado. En el circuito físico, podemos ver que el interruptor no ha sido "cerrado" y por lo tanto el foquito LED en el PLC está apagado. Pero como X1 ha sido "convertido" por acción de programación en la computadora en un interruptor normalmente cerrado, el hecho de que esté abierto implica que estará suministrando energía para activar la salida Y1 como nos lo confirman tanto el foquito LED en el PLC como el monitor de la computadora. Del mismo modo, si queremos variar un retardo de tiempo en la acción de alguna de las salidas, ya no tenemos que salir para andar moviendo perillas, lo podemos hacer también desde el teclado de la computadora, pudiendo variar el retardo de tiempo en cualquier salida desde microsegundos o milisegundos hasta varias horas o días, con una precisión cronométrica que los hoy ya prácticamente obsoletos relevadores de retardo de tiempo no podían proporcionar.

A continuación tenemos un ejemplo de cómo la acción de tres interruptores de entrada es convertida en una función lógica elaborada gracias a la programación llevada a cabo sobre el PLC con la ayuda de la computadora:
En este caso, tenemos tres interruptores X1, X2 y X3 de activación manual, todos ellos normalmente abiertos, conectados a sus respectivas entradas al PLC, en el cual gracias a la programación llevada a cabo con la ayuda de la computadora son combinados para formar la siguiente función Boleana:

Y1 = X1∙X2 + X2∙X3 + X1∙X3

Con la misma facilidad con la cual formamos esta función Boleana a partir de los tres interruptores conectados a las entradas del PLC podríamos haber formado funciones Boleanas más complejas aún, lo cual nos dá una muestra de las enormes ventajas que tiene el darle capacidades de programación a los controladores lógicos.

Ahora se mostrará la implementación en un PLC de algo que ya vimos aquí previamente; la dotación de una "memoria" a una configuración usando para ello la retroalimentación:

 En este esquema, podemos ver en el diagrama de escalera que si se oprime manualmente el botón interruptor normalmente abierto X1, identificado como "Activación del Motor", la salida del relevador de control Y1 será energizada con lo cual dicho relevador cerrará uno de sus contactos permitiendo con ello que un motor M1 sea echado a andar. Pero al mismo tiempo, otro de los contactos del relevador de control que está en combinación lógica OR con X1 será también cerrado. Este es el contacto normalmente abierto Y1, y aunque el botón interruptor X1 deje de ser oprimido el motor seguirá trabajando por el efecto "memoria" que está proporcionando la retroalimentación de Y1 hacia sí mismo a través de uno de sus contactos. Si queremos detener el movimiento del motor, tenemos que abrir el contacto normalmente cerrado X2 oprimiendo dicho botón. Obsérvese que en el diagrama de escalera antes de comenzar la acción el interruptor X2 no es mostrado de color rojo pese a que el foquito LED del PLC está encendido indicando suministro de energía, en virtud de que a X2 se le considera "encendido" cuando el contacto es abierto por acción del usuario. El empleo de relevadores electromecánicos de uso pesado para este tipo de función es más común de lo que muchos pudieran imaginarse: cada vez que una persona entra a un ascensor y oprime un botón que marque un piso diferente al piso en el que se encuentra, la puerta del ascensor se cierra y la persona es llevada hacia el piso seleccionado sin necesidad de que la persona tenga que seguir manteniendo oprimido el botón correspondiente a dicho piso. Y una vez que ha llegado a dicho piso, otro contacto interruptor normalmente cerrado se abre "limpiando" con ello la memoria de la requisición del usuario. Pero este tipo de circuito puede trabajar en forma completamente automática sin intervención humana, como lo muestra el siguiente ejemplo animado de un tanque de almacenamiento de líquidos que consta de dos sensores que detectan uno de ellos un nivel bajo de líquido y el otro un nivel alto de líquido :

En este ejemplo, al principio el tanque está inicialmente vacío y todos los interruptores están en la condición de "verdadero" (True). En el monitor de una computadora que supervisa no sólo lo que ocurre en el diagrama de escalera (puesto a la derecha) sino inclusive en una representación pictográfica de lo que se está controlando (puesto a la izquierda), al empezar con el tanque vacío todos los interruptores aparecen de color verde al igual que los sensores de un nivel bajo del líquido (low level) y un nivel alto del líquido (high level). Estos dos sensores son las entradas en el diagrama de escalera. Es importante remarcar aquí antes de que el ejemplo se pueda prestar a confusiones que en esta representación visual se utiliza el mismo símbolo para un interruptor normalmente cerrado que el que se usa para un interruptor normalmente abierto, y la labor de distinción se debe hacer tomando en cuenta lo que ocurre en el diagrama pictográfico a la izquierda. Al comienzo, el motor de llenado de líquido (fill motor) que aparece como una salida puesta en el segundo peldaño del diagrama de escalera es energizado gracias al contacto normalmente cerrado en el segundo peldaño que es un contacto perteneciente al relevador de control cuya salida a su vez está puesta en la esquina superior derecha del primer peldaño del diagrama de escalera; por lo tanto al comienzo el motor se encuentra trabajando llenando el tanque de líquido. Podemos concluír que los dos interruptores puestos en el primer peldaño del diagrama de escalera son interruptores normalmente cerrados ya que de otra forma por estar ambos en configuración AND el motor de llenado no podría estar trabajando. Al irse llenando el tanque, el sensor de nivel bajo de líquido eventualmente es activado pasando con ello de la condición de "verdadero" (True) a la condición "falsa" (False), destacada con letras de color rojo en el primer interruptor (normalmente cerrado) puesto en el extremo izquierdo del primer peldaño que corresponde precisamente al sensor de nivel bajo de líquido. En el diagrama pictográfico, el mismo sensor de nivel bajo de líquido cambia de color verde a color rojo resaltando su activación. Pero el llenado de líquido no se detiene al abrirse este interruptor, ya que por el efecto "memoria" la corriente eléctrica encuentra un camino alterno (indicado por una línea de color azul). Eventualmente, el tanque se sigue llenando hasta que el sensor de nivel alto de líquido es activado pasando también de la condición de "verdadero" (True) a la condición "falsa" (False). Al ocurrir esto, el segundo interruptor normalmente cerrado del primer peldaño pasa de "verdadero" (True) a la condición "falsa" (False), lo cual corta definitivamente el suministro de energía a la salida correspondiente al relevador de control del motor de llenado que también entra en condición False al ser apagada . De este modo, queda claro que los dos interruptores que aparecen en el primer peldaño del diagrama de escalera son los que corresponden a las entradas proporcionadas por ambos sensores de nivel alto y nivel bajo de líquido. Al apagarse el relevador de control, su salida con la cual se está retroalimentando pasa también a la condición False al igual que su salida con la cual estaba permitiendo la energización del motor de llenado en el segundo peldaño. Es así como todos los interruptores entran en la condición de False en el diagrama de escalera. Al apagarse el motor, el nivel del líquido en el tanque empieza a descender conforme a su uso normal, hasta que eventualmente el nivel del líquido está por debajo del sensor del nivel alto que con ello pasa de la condición False a la condición True. Pero esto no es suficiente para echar a andar el motor de llenado de líquido, ya que es necesario que el sensor de nivel bajo de líquido también entre en la condición True para que el motor empiece a funcionar al energizarse de nuevo el relevador de control, lo cual ocurre eventualmente dando inicio a un nuevo ciclo de llenado automático del tanque.

El circuito que acabamos de estudiar es un circuito de ciclo perpetuo. Una vez que ha sido echado a andar, continuará trabajando por sí solo sin intervención humana de ningún tipo mientras reciba suministro de corriente y mientras no falle alguno de los componentes.

Independientemente de que las computadoras que llevan a cabo las funciones de inteligencia sobre un PLC han ido aumentando enormemente en grado de sofisticación, los mismos PLC han ido evolucionando en capacidad y en funciones, a grado tal que muchos de los relevadores electromecánicos que dieron origen al PLC son prácticamente obsoletos, desplazados por la presencia de semiconductores de alta potencia capaces de manejar voltajes y corrientes elevados. A continuación tenemos una muestra de un "relevador" de estado sólido en el cual ya no hay bobinas de alambre ni resortes ni palancas mecánicas móviles:





En este relevador de estado sólido, mejor conocido como opto-acoplador (opto-coupler) hay un aislamiento eléctrico total entre su entrada y su salida en virtud de que el acoplamiento interno entre la entrada y la salida se lleva a cabo por medio de la luz, con un diodo LED emitiendo un haz luminoso al cerrarse el interruptor a la entrada, haz luminoso que pone en funcionamiento un opto-triac permitiendo el paso de la corriente alterna a través de la carga. Obsérvese que con esta configuración la entrada es alimentada con una fuente de corriente directa, mientras que la carga recibe por su parte la energía de una fuente de corriente alterna, y todo ello sin necesidad de recurrir a electrónica interna costosa, lo cual ha sido posible gracias al advenimiento de la optoelectrónica que proporciona este tipo de aislamientos entre circuitos distintos utilizando a la luz como intermediaria.

Un PLC de "nueva generación" es el Allen-Bradley PLC5, expandible a base de módulos, el cual se muestra a continuación:
La "rejilla" (rack) que alberga los módulos incluye como mínimo una fuente de poder que sea capaz de alimentar las funciones básicas de procesamientos de todos los módulos que sean montados en ella, y debe incluír también un módulo especial fijo (permanente, no-removible) que incorpore un microprocesador o un microcontrolador que llevará a cabo las funciones de control y programación interna dentro del PLC tanto de las entradas como de las salidas. Los módulos opcionales generalmente son módulos para poder manejar entradas o para poder manejar salidas, con distintas capacidades según lo requieran las necesidades de los clientes. Si alguna aplicación requiere súbitamente aumentar el número de relevadores de control de salidas de cinco a treinta, por ejemplo, no hay necesidad de tener que adquirir otro PLC completamente nuevo perdiéndose con ello la inversión original, sólo es necesario adquirir otro módulo para poder aumentar así la capacidad de manejo de salidas del PLC. Esta es esencialmente la idea detrás de la principal ventaja de la modularidad, en contraste con los PLCs que son vendidos como cajas "cerradas" cuyas capacidades no pueden ser ampliadas posteriormente, y es una de las razones por las cuales la computadora de escritorio no ha podido reemplazar por completo a los PLCs como en un principio se creyó que ocurriría.

Un PLC de este tipo ofrece una gran flexibilidad a un costo igualmente grande, aunque para aplicaciones de automatización y control industrial y comercial existen controladores lógicos más económicos que inclusive además de ser portátiles se pueden programar directamente en el área de trabajo empleándose la carátula en la cual aparece el diagrama de escalera como medio visual para poder leer, interpretar, y reprogramar si es necesario, cualquiera de los parámetros de los que consta alguna aplicación, como lo es el caso del controlador ZEN fabricado por la empresa japonesa Omron:


Hemos hablado aquí de los controladores lógicos programables, desarrollados a fines de los años sesenta, los cuales están siendo reemplazados por los más modernos controladores programables de automatización (Programmable Automation Controller o PAC), los cuales ofrecen la posibilidad de utilizar algoritmos avanzados de control, manipulación extensiva de bases de datos, simulación de procesos complejos, procesamiento veloz bajo control de microprocesador, y capacidad en el manejo de rangos de memorias que están fuera del alcance de los PLCs.