7.- ENTRADAS Y SALIDAS ANALÓGICAS

7.1.- INTRODUCCIÓN

La adquisición y el procesado de variables analógicas por parte de los módulos de entrada de los sistemas de control requieren un conjunto de acciones previas, que tienen como finalidad convertir y adaptar la señal que se desea obtener a unos niveles eléctricos aptos para ser tratados por dicho módulo. En la figura, se pueden observar la estructura y los elementos que son necesarios para acondicionar la señal a medir para los niveles de entrada del PLC.

La estructura del sistema tiene como base el proceso que se desea controlar, y en el que intervienen una o más señales, que evolucionan continuamente en el tiempo. En el caso de la figura propuesta como ejemplo, se desea adquirir el valor de la temperatura. El primer paso para poder efectuar esta medición es convertir la señal a medir en una señal eléctrica continua en el tiempo, acotada dentro de unos límites y que sea directamente proporcional a la señal que se está midiendo. El elemento que realiza esta función es el transductor. Existen dos grandes grupos de transductores: los pasivos, en los que no se produce conversión de energía, sino que algún parámetro del transductor es directamente proporcional a la magnitud que se mide, y los activos, dispositivos que generan energía eléctrica por conversión de energía procedente del sistema sobre el cual se está realizando la conversión.

Existen tantos tipos de transductores como variables se deseen medir, tales como la temperatura, la presión, las células de carga, el caudal, el nivel, la velocidad, etc. Aunque estructuralmente todos ellos puedan ser muy diferentes, la característica común de todos es que convierten la señal a medir en una señal eléctrica, de tensión, corriente, variación de resistencia, etc., proporcionales al valor de la señal que se desea conocer.

La señal suministrada por el transductor suele ser una señal de bajo nivel y con un alto nivel de ruido, por lo que posteriormente se requiere una etapa de acondicionamiento de la misma, que consta de las acciones siguientes:

1. Adaptar la variación de señal eléctrica suministrada por el transductor (resistencia, tensión, corriente, frecuencia…) a un tipo de señal apta para el módulo de procesamiento de la misma.
2. Filtrar la señal adquirida para eliminar ruidos y valores no deseados.
3. Amplificar y adaptar la señal eléctrica a los niveles requeridos por el módulo de procesamiento.

También la figura muestra como ejemplo un sensor de temperatura permite convertir una señal entre 100ºC y 300ºC a un rango de valores eléctricos que va de 0 a 10 voltios, que es la señal que es captada por el módulo de entradas del sistema de control.

Debido a la gran cantidad de tipos de transductores y de rangos de conversión existentes en el mercado, se pueden encontrar diferentes módulos de E/S analógicos. Los más comunes son:

• Módulos de entrada de corriente de 0 a 20 mA o de 4 a 20 mA
• Módulos de entrada en tensión unipolares de 0 a 5 V y de 0 a 10 V
• Módulos de entrada en tensión bipolares de -5V a 5V y de -10V a 10V

Una vez la señal eléctrica analógica es llevada al sistema de control, y debido a que se trata de un sistema digital, es necesario convertir esta corriente o voltaje a un código binario para que pueda ser tratada en un programa. La estructura típica de un módulo de entradas analógico tiene como misión, entre otras, realizar esta conversión, tal como se observa en la figura, en la que un módulo analógico de entradas está compuesto de una serie de bloques funcionales, que permiten realizar el procesado de la señal para convertirla a un código binario.

A continuación, se realiza una breve descripción de los componentes para la conversión de la señal:

1. Bornero de conexión. Permite la conexión de los sistemas de captación a cada uno de canales de los módulos de entrada analógicos. Habitualmente, pueden encontrarse entre 4 y 16 canales de entrada por módulo. Existen entradas diferenciales, donde cada sensor tiene sus dos bornes, o entrada única con un común para todas las entradas .

Conexión del bornero: entrada diferencial (a) y entrada única (b)

1. Multiplexor analógico. La función del multiplexor analógico es seleccionar el canal del cual se va a realizar la lectura analógica. Habitualmente, aunque no siempre, en cada ciclo de scan del sistema de control se realiza la lectura de un único canal de entrada, por lo que para realizar la lectura de todos los canales son necesarios tantos ciclos de scan como canales disponga el módulo.

1. Conversor analógico/digital. Este elemento tiene como misión convertir la señal analógica de cada canal en un código binario de n bits. El número de bits determina la resolución del módulo (parte más pequeña en la que se puede dividir la señal). Un conversor analógico/digital normal para un PLC suele ser de 12 bits, por lo que la señal puede representarse utilizando 12 bits o, lo que es lo mismo, 2¹² valores, de 0 a 4.095).

Si se dispone de un módulo de entradas analógico de 0 a 10 V, con un conversor A/D de 12 bits, el peso de cada bit es igual al rango de entrada, dividido por el número de códigos que puede generar el conversor (2ⁿ -1):

Cuando el valor de la entrada del conversor sea de 0 V, la salida dará el valor en decimal 0, y cuando tenga a la entrada 10 V, la salida valdrá 4.095. Como regla general, el valor decimal a la salida del conversor será:

1. Optoacoplador. El optoacoplador aísla eléctricamente la parte de adquisición de la parte de tratamiento mediante la transferencia de la información binaria con LEDs entre las dos partes de la estructura del módulo analógico. Ello permite un acoplamiento mediante la luz que emite el diodo LED, aislando eléctricamente la parte del proceso de la circuitería interna del PLC. Existen tantos optoacolpladores como bits tenga la salida del conversor analógico a digital.
2. Tratamiento. Finalmente, el código binario resultante de la conversión digital debe escribirse en un registro del PLC, que no siempre coincide con el número de bits del conversor (habitualmente, de 12 bits). Por tanto, el sistema ha de realizar el tratamiento para convertir este código al tamaño del registro de entrada analógico del PLC (16 bits).
3. Bus del sistema. A través del bus del sistema, el valor se lleva a los registros de imagen de entrada analógicos situados en la memoria de la CPU del autómata, donde podrá ser tratado mediante el programa de usuario. Las variables asociadas a las entradas analógicas generalmente se denominaran IWn, en que n indica el canal de entrada, y permiten trabajar en formato de registro, pues existe una relación directa entre el valor del registro de entrada analógico y la señal de entrada al PLC.