PLC DE 5 ENTRADAS Y 8 SALIDAS

Los lectores de Saber Electrónica conocen las grandes "ventajas" de los microcontroladores PICAXE, entre las que se destacan la fácil programación y el hecho de que no precisan "quitar" el chip para cambiar su programación. Atentos a estas características, diseñamos un Controlador Lógico Programable (PLC) de 5 entradas y 8 salidas utilizando un PICAXE-18, que cuenta con optoacopladores para "aislar" las entradas y buffers separadores hechos con amplificadores operacionales para las salidas. Este equipo no podee un utilitario propio de programación, lo que lo hace útil para cualquier aplicación, tanto en la industria como en el taller y el hogar. De hecho, la programación del PLC se efectúa con el Editor de Programación de PICAXE, software gratuito que puede bajar desde nuestra web. A efectos de brindarle un proyecto de fácil comprensión, incluímos los circuitos y usos de las placas entrenadoras de microcontroladores PICAXE-08 y PICAXE-18 y una serie de aplicaciones para que "aprenda" mientras construye sus propios circuitos.

PLACA ENTRENADORA PICAXE-08

No exageramos demasiado si decimos que los microcontroladores forman parte de nuestra vida, especialmente en lo que hace al “confort”. Hoy en día, es casi imposible pensar en un dispositivo electrónico que no contenga, al menos, un chip de proceso. Es por eso que describimos un sistema muy fácil de aprender y que puede programarse en entornos amigables. Si desea obtener tutoriales sobre este sistema, puede bajarlos de nuestra web: www.webelectronica.com.ar con la clave picaxe.

Para comenzar, antes de describir nuestro PLC, diseñaremos una tarjeta de entrenamiento universal para programar microcontroladores PICAXE, y como en todo comienzo daremos inicio por lo más sencillo y más pequeño, los microcontroladores de 8 terminales denominados PICAXE – 08.

En primera instancia recordemos cuál es la configuración de un PICAXE–08, para en función de ello, tomar en cuenta de cuántas entradas y cuántas salidas podemos echar mano y aprovecharlas al máximo (figura 1). Tenemos la oportunidad de disponer de un total de 4 E/S (4 entradas y 4 salidas), pero no nos confundamos, si sumamos el número de salidas con el número de entradas tendremos un total de 8 y el PICAXE–08 que manejaremos tiene solamente 8 terminales.

¿Esto quiere decir que las terminales de salida y de entrada ocupan todas las que posee?
La respuesta es “no”, ya que en esas 8 terminales deben estar las 4 entradas, las 4 salidas además de las 2 terminales de alimentación y 2 para programarlo. Específicamente para los PICAXE–08 las terminales 3, 5, 6 y 7 cumplen con una doble función, por lo que debemos tener cuidado cuando los programemos, porque por ejemplo la terminal 3 puede comportarse como una terminal de entrada o una terminal de salida, todo depende cómo la contemplemos cuando realicemos el programa del PICAXE–08.

La tarjeta entrenadora que proponemos tiene la posibilidad de explotar al máximo las propiedades del PICAXE–08, y será por medio de jumpers como se podrá configurar la circuitería tanto para programar como para fijar entradas o salidas de datos, en la figura 2 se muestra el circuito esquemático de la tarjeta entrenadora completa.

A continuación describiremos cada parte de esta tarjeta entrenadora para que podamos sacarle el máximo provecho.

En primer término identificaremos la ubicación de dónde instalar el microcontrolador PICAXE–08, éste debe encontrarse en la base identificada como IC1, respetando la identificación de las terminales (figura 3).

Los conectores identificados como ES1, ES2 y ES4 tienen 3 terminales, de las cuales, la del medio de cada uno de ellos se hace llegar hacia la correspondiente terminal del microcontrolador PICAXE, las 2 terminales restantes de cada conector (ES1, ES2 y ES4), una va hacia el bloque destinado para conectar las entradas de datos, y la segunda se dirige hacia el bloque de terminales de salida de datos. Pues bien, para seleccionar si la terminal del microcontrolador será configurada como salida o entrada, será a través de un jumper que dependiendo de cómo se conecte, unirá la terminal del medio del conector ya sea ES1, ES2 ó ES4, con el bloque de terminales de entradas o al bloque de terminales de salida. De esta forma quedará configurada la circuitería del microcontrolador PICAXE, para que esté listo a recibir el programa con el cual trabajará el microcontrolador.

El conector identificado como PROG/SAL0 posee 3 terminales, de las cuales la del medio se hace llegar a la terminal 7 del microcontrolador PICAXE, esta terminal cumple con la doble función de programar al microcontrolador, como de fungir como terminal de salida de datos si así se requiere, esta selección se lleva a cabo mediante la conexión de un jumper hacia la ubicación que se requiera. Cuando se va programar un microcontrolador PICAXE–08, es necesario que el jumper esté ubicado hacia la posición “Prog” en el conector PROG/SAL0, porque de otra manera la programación será imposible ya que no se tendrá comunicación entre la PC y el microcontrolador.

Cuando el jumper se encuentra ubicado hacia la posición “Sal0” en el mismo conector PROG/SAL0, se tendrá configurada la terminal del microcontrolador como salida. La disposición de componentes sobre la placa se muestra en la figura 3.

Por lo descrito líneas atrás se deduce que el procedimiento para ubicar el jumper del conector PROG/SAL0 será de acuerdo a lo siguiente:

  1. 1º paso.- Ubicar el jumper hacia la posición “Prog” en el conector PROG/SAL0, para programar al microcontrolador PICAXE–08.
  2. 2º paso.- Cambiar el jumper hacia la posición Sal0 en el conector PROG/SAL0, si se va a utilizar esa terminal del microcontrolador PICAXE–08 como salida.

En el conector identificado como “Entradas” se tiene la posibilidad de hacerle llegar al microcontrolador PICAXE–08, el estado lógico de 4 diferentes entradas digitales, las cuales pueden ser insertadas mediante circuitos externos o bien utilizar cualquiera de los 2 circuitos con push-boton que se tienen en el área de experimentos, estos circuitos se muestran en la figura 4 y lo único que se tiene que hacer es conectar el borne correspondiente ya sea E1 ó E2 a cualquiera de las terminales de entrada que son Ent1, Ent2, Ent3 ó Ent4 del conector “Entradas”.

En el conector identificado como “Salidas” se encuentra el reflejo de las 4 salidas digitales que posee el microcontrolador PICAXE–08, las cuales pueden hacerse llegar a circuitos externos en donde se refleje la actividad del microcontrolador, o pueden ser utilizadas los 2 circuitos con leds que se encuentran en el área de experimentos, estos circuitos se muestran en la figura 5. Para utilizar estos circuitos, lo que tiene que hacerse es conectar el borne correspondiente, ya sea S1 o S2, a cualquiera de las terminales de salida que son Sal0, Sal1, Sal2 ó Sal3 del conector “Salidas”.

El espacio identificado como PROGRA se encuentra ocupado por un conector de audio estéreo tipo mini Jack, el cual puede tener formas diferentes. El conector de audio estéreo tan sólo tiene 3 terminales, mismas que serán utilizadas para comunicar al microcontrolador con una PC a través del puerto serie, en la figura 6 se muestra el diagrama de cómo se deben identificar las terminales tanto en la tarjeta de entrenamiento como en el conector DB9 que se conecta al puerto serie de una PC.

Las terminales del conector de audio realizarán las siguientes actividades: La línea identificada con el número 1 sirve para verificar que el microcontrolador PICAXE se encuentra conectado al puerto serie de la PC. La línea identificada con el número 2 sirve para programar al microcontrolador PICAXE.

La línea identificada con el número 3 es la referencia GND o también conocida como tierra eléctrica. Por último, la tarjeta entrenadora tiene incorporado un regulador de voltaje identificado como IC2 que posee la matrícula LM7805, y cuya misión es la de mantener un voltaje de 5 VCD para energizar al microcontrolador PICAXE y toda su circuitería, por lo tanto podemos energizar nuestra tarjeta de entrenamiento con una pila de 9 VCD.

En la figura 7 se muestra la imagen del kit para armar de la tarjeta entrenadora para PICAXE – 08, que puede conseguirse en casas de electrónica de todo el país a un costo aproximado de $15 (no incluye el microcontrolador).

El kit posee un CD con todo lo necesario para trabajar con esta placa entrenadora. El precio del PICAXE-08 está en el orden de los $15.

Hacer proyectos con esta placa es muy fácil, puede emplear el Editor de Programas, tal como venimos explicando desde hace varias ediciones (puede ver Saber Electrónica Nº 220, donde explicamos este proceso en el artículo: Central de Alarma Inteligente”.

En nuestra web: www.webelectronica.com.ar, haciendo click en el ícono password, e ingresando la clave “axe220”, podrá bajar un tutorial de uso de esta placa entrenadora y unos cuantos proyectos para armar. Por ejemplo, podemos hacer un multivibrador de forma que los leds de la placa enciendam en forma intermitente con un tiempo de un segundo.

Para corroborar que el proyecto funciona, deberemos unir mediante un jumper los leds con las salidas “0” y “1” del PICAXE, es decir, los terminales de la placa S1 con “salida 0” y S2 con “salida 1”. Posteriormente, los jumpers de la placa deben estar del lado de las salidas (especialmente el correspondiente al pin 1, es decir, la pata 6 del picaxe (pin 1) debe estar con el jumper puesto del lado de “salida”.

En la figura 8 podemos apreciar la imagen de la placa con la batería conectada y el cable que deberá colocar en el puerto serial (puerto de comunicaciones) de la computadora.

Tenga en cuenta que en el kit no se incluyen los cablecitos (jumpers) para unir los leds o los pulsadores con los terminales de entrada y salida de la placa (cuya conexión dependerá del proyecto que arme) y que éstos no se venden en casas de electrónica, deberá armarlos Ud. mismo.

Para construir estos jumpers, tome pedacitos de cable finitos, de los empleados en pares teléfonicos, córtelos en tramos de unos 10 cm y pele ambas puntas en unos 2,5 cm aproximadamente; luego tome un clip de los que se emplean para unir papeles y enrolle un terminal del cable alrededor del clip (parte izquierda de la figura 9) para formar una especie de “tubito” de unas 10 vueltas, retire el clip y corte la puntita de modo de generar una especie de “capuchón” que servirá para insertar en el pin de la placa correspondiente (parte central de la figura 9).

Repita el procedimiento con el otro Terminal del cablecito y ya tendrá su jumper listo para ser usado (parte derecha de la figura 9). Haga unos cuantos cablecitos y luego utilice dos de ellos para unir a los leds de la placa con las salidas “0” y “1”.

Posteriormente deberá hacer el programa del multivibrador con el Editor de Programas que ya está instalado en su PC (si no sabe hacer este proceso, descargue la guía con la clave “axe220”) y realice el diagrama de flujo de la figura 10, luego obtenga el correspondiente programa en BASIC (figura 11) y descargue dicho ejemplo sobre su placa entrenadora (recuerde que el jumper de la pata 7 debe estar del lado “programación” y que la batería debe estar conectada para descargar el programa sobre el chip).

Una vez que descargó el programa, pase el jumper de la pata 7 del lado de “salida0” y verá que los leds encienden en forma intermitente cada un segundo. Puede realizar los proyectos que Ud. quiera.

 
PLACA ENTRENADORA PICAXE-18

El PICAXE–18 tiene una mayor posibilidad de aplicaciones con respecto al PICAXE–08, por la simple razón física de poseer más terminales, tanto de entrada como de salida.

Como primer paso recordaremos cuál es el diagrama del circuito básico de conexión de este PICAXE, para de ahí llegar al diagrama esquemático de la nueva tarjeta entrenadora.

En la figura 12, se muestra el circuito básico del cual se tiene que tomar en cuenta el número total de entradas y salidas que podemos manipular para aprovecharlas al máximo.

Para el PICAXE–18 se tiene la oportunidad de disponer de 8 terminales de salida y 5 terminales de entrada, de estas últimas y dependiendo del tipo de microcontrolador PICAXE (PICAXE–18, 18A, ó 18X) se pueden colocar hasta tres entradas como de entradas analógicas.

La tarjeta entrenadora que se propone en esta oportunidad tiene la posibilidad de explotar al máximo todas las propiedades de un PICAXE–18, en la figura 13 se muestra el circuito esquemático de la tarjeta entrenadora completa.

A continuación describiremos cada bloque de esta tarjeta entrenadora, para que se le pueda sacar el máximo provecho.

Como primer paso será identificada la ubicación de donde se encuentra el microcontrolador PICAXE–18, que justamente debe encontrarse sobre la base identificada como IC1 respetando en todo momento la distribución de las terminales.

Sobre el conector identificado como salidas, se encuentran concentradas las 8 de que dispone el microcontrolador PICAXE, las cuales se encuentran identificadas desde S0 hasta S7. Este conjunto de salidas pueden emplearse de manera indistinta para controlar algún elemento externo, que bien puede ser un actuador (elemento de potencia), todo depende de su naturaleza para en función de ella, conectar en la salida un opto acoplador para encender o apagar un motor de CA por ejemplo, lo mismo para encender una lámpara incandescente o un simple led.

El conector denominado entradas, tiene el reflejo precisamente de las terminales de entrada al microcontrolador PICAXE.

Las terminales de entrada se encuentran identificadas como E0, E1, E2, E6 y E7, de estas últimas dependiendo del tipo de PICAXE (PICAXE–18, 18A ó 18X), las terminales E0, E1 y E2, pueden comportarse como terminales de entrada analógica, esto es que tienen convertidor “analógico – digital”. En las terminales de entrada de datos, se tienen que conectar aquellos circuitos externos que generen algún estado lógico, que reflejen fielmente el estado de la actividad que están leyendo los sensores bajo algún proceso. Estos datos de entrada, de manera general, pueden clasificarse como discretos o analógicos, entendiéndose como discretos todas aquellas señales que trabajan mediante la lógica binaria, “0” lógico y “1” lógico, mientras que los datos analógicos, son aquellos como la temperatura que está variando con el tiempo y que puede adquirir un número infinito de valores dentro de un intervalo bien establecido.

Para esta tarjeta controladora no se necesita configurar alguna forma especial de trabajo sobre su circuitería, por lo que sus aplicaciones son inmediatas ya que posee terminales dedicadas tanto para ingresarle como para extraerle datos, siendo el microcontrolador PICAXE el elemento indispensable que realiza todas las acciones de control. Una vez identificadas las terminales de entrada y salida de datos de la tarjeta entrenadora, como paso siguiente se tienen que identificar los módulos de apoyo para construir, implementar y/o simular alguna aplicación.

El primer módulo de apoyo que describiremos es el relacionado con la actividad de representar alguna acción del microcontrolador, esto es, el poder señalar por medio de un indicador luminoso alguna respuesta.

Para ello se cuenta con 2 circuitos basados en leds, mismos que se encuentran en el área de experimentos de la propia tarjeta entrenadora, estos circuitos se muestran en la figura 14. Para hacer uso de estos circuitos, lo que tiene que hacerse es conectar mediante un pequeño cable al borne correspondiente ya sea de S1 o S2, con cualquiera de las terminales de salida del microcontrolador que pueden son S0, S1, S2, S3, S4, S5, S6 ó S7 del conector “Salidas”. Y de esta forma si la salida registra un “1” lógico se encenderá el led al cual fue conectado, y por lo contrario si la salida reporta un “0” lógico, el led se apagará.

El segundo módulo de apoyo es el que genera estados discretos para poderlos hacer llegar al microcontrolador, estos módulos pueden simular la activación o desactivación de determinados sensores o botones que se requieren en algún proceso. Para este requerimiento sobre la tarjeta entrenadora, se cuenta con 2 circuitos basados en push-boton que se encuentran sobre el área de experimentos, estos circuitos también se muestran en la figura 14 y lo único que se tiene que hacer es conectar el borne correspondiente, ya sea E1 ó E2, a cualquiera de las terminales de entrada que pueden ser E0, E1, E2, E6 ó E7 del conector “Entradas”. Esto último da posibilidad a que durante la fase de pruebas del programa del microcontrolador, se pueda evaluar si la secuencia con que se tienen que activar los sensores es la correcta o no, para poder estar seguros de que nuestro programa operará completamente sobre nuestra aplicación.

El tercer módulo de apoyo es el que genera señales analógicas para que puedan emplearse con aquel PICAXE que internamente posee un convertidor “analógico – digital”, este módulo puede realizar el trabajo de simulación por ejemplo de un sensor de temperatura, o de un sensor de presión, o de humedad, etc. Para esta parte, la tarjeta entrenadora cuenta con un resistor variable identificado como POT1, por medio del cual se puede cambiar el valor de voltaje que se hace llegar a la terminal correspondiente de entrada analógica del microcontrolador que dependiendo del tipo de PICAXE, éstas pueden ser E0, E1 ó E2 del conector “Entradas”. Ahora bien, si lo que se quiere utilizar en la tarjeta programadora es un sensor real, por ejemplo un LDR (resistencia variable con la luz), ó una galga extensiométrica (resistencia variable con la deformación), etc. En el módulo de señales analógicas a través del conector identificado como “SENSOR” se puede conectar un determinado sensor, que en combinación con el resistor R8 se genera el voltaje cuyo valor responderá de acuerdo a la variable física que lea el sensor.

Cabe aclarar que el tipo de sensor que se tiene que utilizar en esta parte de la tarjeta entrenadora, debe presentar un cambio en su valor de resistencia para que en función de esto, se modifique el valor de voltaje que es, al final de cuentas, lo que lee el PICAXE sobre todo en las entradas analógicas. Las terminales donde se refleja el estado del módulo que genera las señales analógicas se identifican como AN1 y AN2.

El espacio identificado como PROGRA se encuentra ocupado por un conector de audio estéreo tipo mini Jack, el cual puede tener cualquier forma. El conector de audio estéreo tan sólo tiene 3 terminales, mismas que serán utilizadas para comunicar al microcontrolador con una PC a través del puerto serie (vea el circuito de la figura 6 nuevamente para comprender cómo se construye el cable de conexión entre la placa y la PC). Las terminales del conector de audio y DB9 realizarán las siguientes actividades:

  • La línea identificada con el número 1 en el conector de audio, sirve para verificar que el microcontrolador PICAXE se encuentra conectado al puerto serie de la PC.
  • La línea identificada con el número 2 en el conector de audio sirve para programar al microcontrolador PICAXE.
  • La línea identificada con el número 3 en el conector de audio es la referencia GND ó también conocida como tierra eléctrica.

Sobre la tarjeta entrenadora se tiene incorporado un regulador de voltaje identificado como IC2 que posee la matrícula LM78L05, y cuyo cometido es la de proporcionar un voltaje constante de 5 VCD para alimentar al microcontrolador PICAXE y los módulos auxiliares que tiene incorporados la tarjeta programadora. Por medio de la utilización del regulador de voltaje, es posible que podamos emplear para energizar a nuestra tarjeta de entrenamiento una pila de 9 VCD. Vea en la figura 15 una foto de la placa entrenadora PICAXE-18 que, en forma de kit para armar, se la puede conseguir por un costo de $25 aproximadamente (no incluye el microcontrolador) e incluye un CD con programas y todo lo que precisa para aprender a utilizar esta placa.

 
EL PLC PROPUESTO

Uno de los objetivos de la utilización de los microcontroladores se basa en el control de procesos industriales, pasando por todas las líneas de producción que tengamos en mente (aun las que ni siquiera nos imaginamos). Para ello se requiere de un circuito base, el cual podamos aplicar de forma general para casi todos los procesos que se requieren automatizar, y que obviamente tenga un microcontrolador como eje principal de su operación (figura 16).

Para contar con lo anteriormente mencionado, debemos hacer hincapié en que tenemos ya los conocimientos básicos como para conjunir toda la serie de tópicos que hemos abordado hasta el momento en esta serie de microcontroladores PICAXE, por lo tanto estamos en la antesala de la construcción de un proyecto que tiene una utilidad muy importante en el ambiente industrial, y cuya denominación es la de “Control Lógico Programable”.

La figura 17 muestra el diagrama esquemático del PLC con PICAXE-18 que describiremos a continuación. El PLC (por sus siglas en inglés) lo podemos construir nosotros mismos a partir de las ventajas que nos ofrecen los microcontroladores del sistema PICAXE, y por lo tanto contamos con la prestación adicional de que podemos construir nuestro PLC del tamaño que queramos o más bien del tamaño de las necesidades que se requieren cubrir en el proceso industrial. De acuerdo a esto último, nuestro PLC lo podemos crear tan pequeño que, inclusive podemos emplear el microcontrolador PICAXE-08.

Lo diseñaremos tomando las bondades que nos ofrece el microcontrolador PICAXE-18A del cual utilizaremos todos los recursos que nos brinda, y que para empezar cuenta con 5 entradas y 8 salidas. El diseño es tan compacto que permite montarlo en una placa de 10 cm x 15 cm (vea la figura 18).

Nuestro PLC tiene todas las prestaciones que nos entrega un dispositivo electrónico comercial, y para programarlo emplearemos el propio sistema de programación de los microcontroladores PICAXE. Alguien al leer el párrafo anterior se podrá sentir defraudado, porque podrían argumentar que no tenemos un PLC completo ya que faltaría el lenguaje de programación en escalera, y en efecto así es lo que faltaría por el momento, pero sí podemos llamar PLC a nuestro proyecto, ya que un PLC requiere de 3 partes esenciales para admitir esa acepción. Las partes de un PLC son: etapa de entrada o ingreso de datos, etapa de activación de actuadotes o elementos de potencia (etapa de salida), y el controlador que gestiona la información de la entrada, la procesa y reporta un resultado a la salida. El controlador al que hacemos referencia normalmente es un microcontrolador. Nuestro PLC contará con las 3 partes que de rigor debe tener un PLC, y el lenguaje en escalera será substituido por el programa de los PICAXE, que durante el desarrollo de este material mostraremos bloques de instrucciones que se utilizan comúnmente en el programa de un PLC.

Comencemos con la descripción del circuito que le dará vida a nuestro PLC, y para ello vamos a dividir el circuito eléctrico en 3 partes, las cuales son:

Etapa de entrada.-
Este fragmento del circuito total, es tan imprescindible como las 2 siguientes.

En este caso se trata de la parte que se encarga de adquirir la información del entorno que rodea al PLC y enviarla a las terminales de entrada de datos del microcontrolador PICAXE, para realizar esta tarea se requiere de sensores para que éstos adquieran la información.

En general los PLC cuentan con la posibilidad de manejar 2 tipos de sensores, ya sean analógicos o discretos. De acuerdo con lo anterior podemos realizarnos la siguiente pregunta:

¿Cómo sé qué sensor seleccionar?

La respuesta nos la proporciona el propio proceso que vamos a intervenir con nuestro PLC, y lo que tenemos que saber para tomar la mejor decisión sobre qué sensores seleccionar, es tomar alguno de los siguientes criterios:

1.- ¿Se requiere conocer si está presente o no, algún producto o material?
2.- ¿Se requiere saber la magnitud de alguna variable física?

De las preguntas anteriores tenemos que la 1 corresponde a sensores discretos, mientras que la pregunta 2 se relaciona con los sensores analógicos.

El esquema del módulo de entrada discreto del PLC PICAXE-18 incluye optoacopladores 4N25 (figura 19).

Para una mejor comprensión explicaremos lo expresado líneas atrás mediante un ejemplo; supongamos que se tiene que controlar la magnitud de la temperatura en el interior de algún recinto, por lo tanto tenemos que seleccionar los tipos de sensores para implementar el control de la temperatura y que está sea estable dentro del recinto.

De un análisis rápido y muy básico llegamos a la conclusión de que por lo menos se requieren 2 tipos de sensores los cuales se emplearán para realizar una de las siguientes acciones:

o Leer el valor de la magnitud de la temperatura que está presente.
o Detectar si la puerta del recinto se encuentra cerrada.

La primera descripción corresponde a un sensor del tipo analógico, mientras que la segunda descripción hace referencia a un sensor del tipo discreto.

La diferencia principal entre los 2 tipos de sensores radica en el hecho de que el sensor analógico entrega un valor infinito de valores, los cuales dependen de la intensidad de la magnitud física que se está midiendo (luz, temperatura, humedad, etc.), mientras que el sensor discreto tan sólo nos reporta tan solo 2 valores, que son un “1 lógico” ó “0 lógico”.

El circuito correspondiente a la etapa de entrada de un PLC tiene que ser adecuada al sensor que se va a emplear, y tomando en cuenta que el microcontrolador que se utilizará es un PICAXE 18A, que nos permite una disposición de 5 terminales que en su totalidad pueden ser para entradas discretas, el diagrama de la figura 19 corresponde a la parte del diagrama que representa la etapa de entrada implementada para sensores discretos.

La entrada discreta tan sólo debe tener la capacidad de reportar si el sensor detecta la presencia o no de algún objeto o fenómeno físico, por ello se requiere que el sensor informe de su estado por medio de un contacto, el cual se hace conectando en los extremos del borne de entrada de que se trate. El contacto esta conectado en serie con un resistor, y ambos se encuentran energizados por una fuente de alimentación, y cuando el contacto se cierra (esto si el sensor se activa) se genera un “1 lógico”, mientras que si el contacto se abre (si el sensor no se activa) se da origen a un “0 lógico”.

Estos estados lógicos se dirigen a la terminal del ánodo de un led infrarrojo de un dispositivo opto acoplador (4N25), el cual a su vez en la terminal del emisor refleja el estado en que se encuentra el opto acoplador, mismo que corresponde al estado que guarda el contacto.

Por último, la información del opto acoplador se hace llegar a la terminal de entrada correspondiente del microcontrolador PICAXE.

Este circuito se repite 5 veces, una para cada entrada discreta que posee el PICAXE.

Etapa de salida.-
Este bloque del circuito total sirve para enviar una señal para que el actuador o elemento de potencia que tiene conectado se energice o se apague, por lo tanto este circuito hace de etapa de aislamiento entre las terminales de salida del microcontrolador PICAXE y los elementos de salida. EL circuito principal que protege al microcontrolador PICAXE es un amplificador operacional, que se encuentra bajo la configuración de seguidor de voltaje, por lo tanto si en la salida del PICAXE se tiene un “0 lógico”, el seguidor de voltaje entregará 0 Volts, mientras que si el PICAXE entrega un “1 lógico” el seguidor de voltaje entregará 5 volt, porque con esa magnitud de voltaje es con la que trabaja el microcontrolador. En el diagrama de la figura 20 se muestra el circuito completo de la etapa de salida.

Para completar la etapa de salida, se utiliza un transistor para activar la bobina de un relevador, que por medio de sus contactos se energiza o no, un elemento de potencia.

Cabe aclarar que los contactos del relevador deben tener la capacidad de manejar tanto C.A. como C.D. y una corriente máxima de 10 ampere en 120V de corriente alterna 7 ampere en 220V ó 10A en 24V de corriente continua.

Etapa de control.-
Esta parte del PLC, de manera indirecta, la describimos cuando hacemos referencia a un microcontrolador PICAXE, porque el PICAXE de forma exclusiva es la pieza que integra a la etapa de control, porque la información que se adquiere de los sensores se tiene que dirigir a las terminales de entrada del PICAXE, para que éste en función del programa que tenga gravado en su memoria, reporte un resultado y lo envie a los circuitos pertenecientes a la etapa de salida y así poder manipular a un elemento actuador.

El microcontrolador PICAXE de nuestro PLC contará con todas las ventajas que nos ofrece el software de programación, el cual describimos a continuación.

Para cualquier PLC, el software que normalmente se emplea para programarlo es el llamado “lenguaje en escalera” o diagrama de contactos, en el cual las instrucciones se implementan mediante símbolos, tal como se observa en la figura 21.

Ya hemos descrito, que en particular para el PLC que estamos diseñando, por el momento no se contará con un lenguaje en escalera, pero vamos a solventar esta desventaja con la realización del armado de bloques con instrucciones propias de los microcontroladores PICAXE, para que de esta manera podamos contar con una equivalencia en cuanto a la serie de símbolos que nos puede proporcionar un PLC.

Existe una serie de símbolos del lenguaje en escalera que tienen un reflejo hacia la actividad exterior del PLC, y de esta manera se tienen contactos normalmente abiertos (N.A.) y normalmente cerrados (N.C), los cuales leen la información de las terminales de entrada de datos y envían la información al PLC. También existen los símbolos que por medio de los cuales se le indica al PLC que tiene que enviar un mando de control para activar o desactivar algún actuador o elemento de potencia. Entonces, para programar un PLC lo único que tenemos que hacer es emplear los símbolos adecuados para tener un sistema de control automático. Por otra parte, los símbolos que se emplean en el lenguaje en escalera, son la base para programar las funciones lógicas que integran al programa que controla algún proceso industrial, por lo tanto, por medio de un ejemplo vamos a observar de que manera se puede implementar una función lógica AND (Y), ó una función lógica OR (O) y una negación.

Función lógica AND (Y).-
Esta función en lenguaje escalera equivale a interconectar una serie de contactos que pueden ser N.A. ó N.C. en serie, lo que asemeja en un diagrama eléctrico, a un circuito serie en donde se encuentran interruptores y al final de éstos una lámpara, y para que ésta encienda en necesario que todos estén cerrados. Para implementar esta misma función mediante el código en un microcontrolador PICAXE lo haremos en dos partes, en primer término se requiere leer el estado que están reportando los sensores (en este caso discretos), para ello como ejemplo obsérvese el fragmento de lenguaje escalera expresado en la figura 21.

Esta disposición de símbolos da origen a una rama, en la cual se observa el efecto de 3 contactos que al estar conectados en serie, se tiene una equivalencia de una función lógica AND, estos contactos muestran su efecto a partir de 3 entradas, pues bien, en nuestro microcontrolador PICAXE también se tiene que leer el estado de 3 entradas para tener la equivalencia, y para ello necesitamos saber en qué terminales de entrada de datos se encuentran conectados los sensores, continuando con el ejemplo supóngase que las entradas para conectar esos sensores fueron la E0, E1 y E2 (en un PICAXE las terminales de entrada son 5 y son E0, E1, E2, E6 y E7), por lo tanto para que la función lógica AND implementada en la figura 21, tenga el mismo efecto en el microcontrolador PICAXE, se tiene que leer solo el efecto de las terminales involucradas con la función lógica, por lo que tenemos que anular lo que suceda con las terminales restantes, para ello vamos a colocar una máscara a manera de filtro, para que solo pueda obtenerse el estado lógico de los sensores en las terminales de entrada que nos interesan. La máscara o filtro, que le vamos a colocar al PICAXE, estará implementada de acuerdo a como se muestra en la tabla 1.

Por medio de la aplicación de la máscara descrita anteriormente, vamos a indicarle al PICAXE que lea sus terminales de entrada y ese dato lo almacene en un registro temporal o variable que puede ser como en este ejemplo, el identificado como “b0”, y para eliminar el efecto de las terminales E6 y E7 lo que tenemos que hacer es, de alguna manera, que estos bits adquieran un valor de 0 lógico, no importando el estado que tengan sus sensores respectivos, mientras que sobre las terminales E0, E1 y E2 se debe mantener el valor del estado lógico que respectivamente guarden los sensores correspondientes. Esto se puede escribir por medio de un “diagrama de flujo” con el que haremos el programa de nuestro PLC en el Editor de Programas. Para describir entonces, cómo se hace una función AND, vea el esquema de la figura 22.

Se observa que el valor de la variable b0 se opera por medio de una función AND (&) con el valor decimal de 7, mismo que equivale a la aplicación de la máscara, y de esta manera cualquier valor lógico que tengan las terminales E6 y E7 será igual con “0” lógico. El dato que tengan las terminales E0, E1 y E2 se mantendrá.

La instrucción “Let b0 = pins & 7” indica que le asigne a la variable b0 el valor que corresponde a la lectura de los pines E0, E1 y E2. Por ejemplo, si E2=0, E1=0 y E0=1, entonces b0=1. Otro ejemplo: si E2=1, E1=0 y E0=1, entonces b=5. Posterior a la aplicación de la máscara, se tiene que analizar el estado de las 3 terminales que están involucradas con la función lógica AND de la rama del lenguaje en escalera de la figura 21, para ello el valor que debe estar alojado dentro de la variable b0 debe ser igual a 7 decimal, si el estado de los 3 sensores es 1 lógico, y la variable b0 reportará cualquier otro valor si alguno de los sensores o todos están en 0 lógico, tal como se ilustra en la figura 22. El efecto de esta función lógica AND, equivalente a la rama de la figura 21, lo estamos reflejando sobre la salida S0, misma que se encenderá cuando los 3 sensores reporten un 1 lógico sobre las terminales de entrada del PICAXE.

Si se quiere cambiar de terminales de entrada o involucrar mas (solo tenemos 5) entradas, basta con adecuar la máscara que filtra a las terminales que nada tienen que ver con la función AND de una rama de lenguaje en escalera, por otra parte si se tienen mas ramas, el fragmento de código que implementamos para el PICAXE tiene que repetirse tantas veces como ramas necesitemos.

Para que se entienda, según lo expresado en la tabla 1, los valores de E6 y E7 son siempre igual a cero, luego, para obtener una función equivalente a una AND de 3 entradas (E0, E1 y E2), sólo habrá una salida válida cuando estas tres entradas estén en “1” y si esto se cumple, la sumatoria en binario equivale al número decimal 7, por lo tanto, y tal como se muestra en el bloque de la figura 22, asignamos a una variable b0 la suma de los pines de entrada y si se cumple que:

E0 = 1, E1 = 1, E2 = 1, E3 = 0, E4 = 0

 

Entonces la sumatoria será igual a “7” y para completar la función AND deberemos preguntar si la variable b0 = 7, tal que cuando se cumpla esa condición entonces la salida “0” vaya a estado alto. El diagrama de flujo que representa a la función lógica AND se completa entonces con el diagrama de flujo de la figura 23.

Función lógica OR (O).-
Esta función en lenguaje escalera obliga a interconectar interruptores en paralelo, lo que equivale en un diagrama eléctrico a tener alternativas para que al final de estos pueda encenderse una lámpara, y para ello es suficiente con tan solo tener un interruptor cerrado.

Para implementar la función OR mediante el código en un microcontrolador PICAXE, en primera instancia se requiere leer el estado que están reportando los sensores (en este caso discretos), para ello a manera de ejemplo se muestra un fragmento del lenguaje escalera ilustrado en la figura 24. Por la disposición de los símbolos se está dando origen a una bifurcación en una rama, en la cual se observa el efecto de 3 contactos que al estar conectados en paralelo, se tiene la equivalencia con la función lógica OR, estos contactos muestran como operan a partir de 3 entradas, por lo tanto, el microcontrolador PICAXE debe leer el estado de las 3 entradas involucradas, y para ello necesitamos saber qué terminales fueron las elegidas para conectar los sensores. Prosiguiendo con el ejemplo ilustrado en el lenguaje escalera para la función lógica OR, supóngase que las entradas para conectar esos sensores fueron la E0, E2 y E6 (recuerde que en un PICAXE las terminales de entrada son 5 y son E0, E1, E2, E6 y E7), por lo tanto para que la función lógica OR implementada en la figura 24, tenga la misma operación en el microcontrolador PICAXE, se tiene que leer sólo el estado lógico de las terminales involucradas con la implementación de la operación lógica OR, por lo que tenemos que nulificar el estado que se genere para las otras terminales que no están contempladas, para ello vamos a utilizar una máscara a manera de filtro para que sólo pueda obtenerse el estado lógico de los sensores en las terminales de entrada que nos interesan.

La máscara o filtro que le vamos a colocar al PICAXE, estará implementada de acuerdo a como se muestra en la tabla 2.

Por medio de la aplicación de la máscara descrita, vamos a indicarle al PICAXE que lea sus terminales de entrada y ese dato lo almacene en un registro temporal o variable que en este ejemplo se trata de “b0”, y para descartar el efecto de las terminales E1 y E7 lo que tenemos que hacer es de alguna manera que estos bits adquieran un valor de 0 lógico, no importando el estado que tengan sus sensores respectivos, mientras que las terminales E0, E2 y E6 deben mantener el valor del estado lógico que respectivamente, guarden los sensores que tengan conectados.

En dicha figura se observa que el valor de la variable b0, se opera por medio de una función AND (&) con el valor decimal de 69, mismo que equivale a la aplicación de la máscara (vea la tabla 2 nuevamente), y de esta manera sólo se tendrán en cuenta para fijar el dato de la variable b0 el dato que tengan las entradas E0, E2 y E6. La instrucción (let b0 = pins & 69) indica que se le asigne a b0 el valor correspondiente a la suma en decimal (con el peso de cada bit) de las entradas E0, E2 y E6. Por ejemplo, si E6=1 (que tiene un peso igual a 64 expresado en decimal, E2=0 (no tiene peso por ser “0”) y E0=1 (tiene un peso igual a 1, expresado en decimal) entonces b0=65 (64+1).

Posterior a la aplicación de la máscara, se tiene que analizar el estado de las 3 terminales que están involucradas con la función lógica OR del lenguaje en escalera de la figura 24, para ello el valor que debe estar alojado dentro de la variable b0 se debe comparar con el valor decimal de 0, específicamente se hace la pregunta si b0 es mayor que 0. Si el estado de los 3 sensores es igual a 0 lógico, significa que ninguno de ellos se ha activado, por otra parte si en la variable b0 se reportara cualquier valor que sea mayor que 0, quiere decir que alguno de los sensores o todos inclusive están en 1 lógico. Por lo tanto, el paso siguiente del diagrama de flujo será “preguntar” si b0>0 ya que cualquier valor mayor que “)” indicará que al menos un sensor en los pines E0, E2, E6 esté activado.

El efecto de la función lógica OR programado en el diagrama de flujo de la figura 25 equivalente al lenguaje escalera de la figura 24, lo adecuar la máscara que filtra a las terminales que nada tienen que ver con la función OR que se quiere implementar, por otra parte si se necesitan más funciones lógicas OR, no tenemos más que repetir el fragmento del código que hicimos para el PICAXE, por lo que éste tiene que repetirse tantas veces como funciones necesitemos. Recuerden que con el programa llamado “PICAXE Programming Editor”, podemos implementar perfectamente las mismas funciones que se realizan en un lenguaje escalera, claro que no es tan fácil de hacer pero se puede. Por otra parte ya hemos abordado los conceptos mínimos que se requieren para que nuestro PLC haga todas las funciones básicas de uno comercial, pero se debe tener presente que se necesitan dominar ciertas técnicas de programación para los PLC, por lo que nuevamente les hacemos una atenta invitación a que visiten nuestra página de internet www.webelectronica.com.ar y en la sección de password empleen la clave “progplc”, para que puedan descargar mucha información sobre la programación de PLC.

Si quieren obtener más información de los microcontroladores PICAXE de los invitamos a que descarguen de la página de Internet toda la información que necesiten de microcontroladores PICAXE, pero ahora empleando la clave “picaxe”. El código en basic derivado del diagrama de flujo para implementar la función AND se muestra en la tabla 3. El código en basic derivado del diagrama de flujo para implementar la función OR se muestra en la tabla 4. Por último, en la figura 26 se muestra el diagrama completo para la placa de circuito impreso, incluyendo la máscara de componentes (el lado de las pistas de impreso se ha reproducido en la figura 16. Recuerde que este PLC se programa con el Editor de Programas y que en próximas ediciones daremos varias aplicaciones para el uso de este PLC.

 
Autor: Ing. Ismael Cervantes de Anda
FIGURA 1
 
FIGURA 2
 
FIGURA 3
 
FIGURA 4
 
FIGURA 5
 
FIGURA 6
 
FIGURA 7
 
FIGURA 8
 
FIGURA 9
 
FIGURA 10
 
FIGURA 11
 
FIGURA 12
 
FIGURA 13
 
FIGURA 14
 
FIGURA 15
 
FIGURA 16
 
FIGURA 17
 
FIGURA 18
 
FIGURA 19
 
FIGURA 20
 
FIGURA 21
 
FIGURA 22
 
FIGURA 23
 
FIGURA 24
 
FIGURA 25
 
FIGURA 26
 
TABLA 1
 
TABLA 2
 
TABLA 3 - 4
 
MATERIALES
 
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PROMOCIONES
 
 
 
 
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