8: El PLC. Diagramas de Escalera

Adems de la representacin que hemos venido utilizando en este libro de circuitos lgicos capaces

de llevar a cabo alguna funcin, existe otro tipo de representacin de los mismos ampliamente

utilizada en aplicaciones industriales de automatizacin y control digital. Se trata de losdiagramas

de escalera lgica (logic ladder diagrams), conocidos simplemente como losdiagramas de

escalera. Los diagramas de escalera son un lenguaje visual que permite llevar a cabo la

programacin de los controladores lgicos programables conocidos comnmente en la

literatura tcnica por sus siglas PLC (del ingls Programmable Logic Controller). Esto, en cierta

forma, es nuestro punto de introduccin hacia las ramas de la robtica y la mecatrnica.

Hablando en trminos generales, los circuitos integrados tratados previamente son circuitos

integrados utilizados fundamentalmente para el procesamiento de datos, para el procesamiento de

informacin, en los cuales se desea economizar al mximo el consumo de energa, y por lo tanto han

sido diseados para poder operar con corrientes elctricas muy pequeas. Ciertamente, no son

capaces de poder manejar las corrientes elctricas necesarias para poder encender y apagar

motores. Esto requiere de componentes elctricos para uso pesado (heavy duty) tales como los

relevadores electromecnicos estudiados al principio de este libro o como los rectificadores

controlados de silicio SCR y los thyristores. Sin embargo, es deseable mantener la misma

flexibilidad de poder interconectar estos elementos de control siguiendo un esquema de fcil

interpretacin y mantenimiento como el que proporcionan los diagramas convencionales de las

funciones lgicas bsicas. Considrese el siguiente diagrama elemental de un motor activado

directamente con voltaje de 120 volts de corriente alterna (el cual podra ser el motor de un abanico

casero, de un taladro, o de una licuadora):

En este diagrama elctrico 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

imaginacin, podemos visualizar este diagrama como el peldao de una escalera, y en efecto este es

posiblemente el diagrama de escalera ms sencillo que podamos trazar. En un diagrama de escalera,

la fuente de energa es representada por los dos "rieles" verticales de la escalera, mientras que los

peldaos 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 lneas

paralelas verticales (es importante no confundir este smbolo con el smbolo utilizado en los textos

de electricidad y electrnica para representar capacitores), mientras que los contactos normalmente

cerrados de un interruptor o de un relevador son representados mediante dos lneas paralelas

atravesadas con una lnea diagonal. Si convenimos en representar la accin de "encendido" del

interruptor S como una entrada simbolizada con la letra A y la salida resultante (el encendido del

motor) con un crculo y una letra Y, el diagrama de escalera para el circuito anterior ser el

siguiente:

(Es importante no confundir el smbolo utilizado para representar un interruptor como el

interruptorA en el diagrama de arriba con el smbolo utilizado para representar un capacitor en los

diagramas elctricos convencionales.)

Un diagrama de escalera puede contener peldaos al igual que una escalera verdadera. Cada

peldao debe contener una o varias entradas, y una o varias salidas. La primera instruccin en un

peldao, puesta del lado izquierdo, siempre debe representar la accin de una entrada, y la ltima

instruccin de un peldao, puesta del lado derecho, siempre debe representar la accin de una

salida.

Para nuestra discusin, adoptaremos aqu la siguiente simbologa:

X se usar para representar entradas

Y se usar para representar salidas

CR se usar 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 smbolos se les aadir un nmero 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 continuacin tenemos el equivalente de la funcin lgica OR en un diagrama de escalera, en la

cual si cualquiera de los interruptores X1 X2 o ambos son cerrados el motor Y arrancar:

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 fbrica, o pueden ser interruptores activados por operadores situados en mquinas

distintas. Sin embargo, la accin de ambos interruptores no slo es algo parecido a la funcin lgica

OR, sonla funcin lgica OR, implementada en un diagrama de escalera.

A continuacin tenemos el equivalente de la funcin lgica AND, en la cual es necesario que ambos

interruptores X1 y X2 estn cerrados para que la salida Y pueda ser activada:

Y por ltimo, la funcin inversora NOT se puede implementar en un contacto de entrada utilizando

un interruptor que en lugar de estar normalmente abierto est normalmente cerrado, teniendo as el

equivalente de la funcin lgica NOT ya que es necesario "encender" al interruptor X abriendo el

contacto para apagar el suministro de energa a la salida Y:

Tenemos pues el equivalente de las tres funciones lgicas bsicas para los diagramas de escalera. Y

con esto podemos representar cualquier circuito lgico como los que hemos estudiado

anteriormente en este libro.

Las expresiones Boleanas usadas en los circuitos combinatorios lgicos convencionales pueden ser

"traducidas" con pocos problemas hacia un diagrama de escalera. Tal es el caso de la expresin

Boleana:

Y = ABC

cuya implementacin en un diagrama de escalera es la siguiente:

mientras que para la siguiente expresin 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 intervencin humana como por accin de algn sensor (temperatura, presin,

humedad, etc.) Sin embargo, cuando queremos destacar en forma muy explcita algn interruptor

que ser accionado manualmente por una persona, podemos utilizar el siguiente smbolo cuando se

trata de un interruptor normalmente abierto:

o bien el siguiente smbolo cuando se trata de un interruptor normalmente cerrado:

De este modo, un interruptor normalmente cerrado X activado manualmente cuya funcin no es

permitir el paso de la corriente elctrica a una carga Y sino cerrar el paso de la corriente elctrica a

dicha carga tendr la siguiente representacin en un diagrama de escalera:

Es importante tener en mente que la notacin que hemos presentado aqu, aunque difundida en

muchos libros de texto, no es adoptada universalmente por todos los fabricantes de equipo cuyo uso

est basado en la aplicacin de diagramas de escalera. Ejemplo de ello es el siguiente diagrama de

escalera que utiliza la notacin del fabricante Allen-Bradley:

Este diagrama de escalera representa la misma configuracin que vimos previamente cuya

expresin Bolena es Y=ABC+ABC.

Una diferencia notoria entre estas funciones lgicas de escalera y las funciones lgicas 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 aplicacin 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 electromecnico (o su equivalente en circuitos semiconductores de

alta potencia) nos permite manipular cargas pesadas de voltajes y corrientes elctricas a travs de

un voltaje mucho ms pequeo empleado para activar la bobina del relevador. Esto nos d ya una

pista de que muchas aplicaciones interesantes tienen su origen con el empleo de relevadores, razn

por la cual enfocaremos ahora nuestra atencin a estos componentes que fueron el punto de partida

para la construccin de los primeros controladores lgicos.

El relevador de control que estaremos utilizando es idntico al relevador electromecnico que fue

introducido al principio del segundo captulo de esta obra (Las Tres Funciones Lgicas Bsicas),

excepto que ahora la salida del relevador en vez de ser interpretada todo el tiempo como una seal

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 elctricas, 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 podran manejar y suministrar un voltaje de 120 volts de corriente alterna para

alimentar un motor elctrico de uso pesado (como el motor del elevador de un edificio) que tal vez

consuma una corriente elctrica tan grande que esta misma corriente elctrica posiblemente

quemara el alambre de la bobina del relevador (o mejor dicho, lo fundira.) 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 elctricamente aisladas e

independientes. A continuacin 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:

Obsrvese que en la cara de este relevador tenemos la explicacin clara del diagrama de

contactossituados en la parte inferior del mismo; es un relevador que nos proporciona dos

interruptores separados (conocidos comnmente como polos), los cuales al energizarse la bobina no

slo abren al mismo tiempo sus contactos normalmente cerrados sino que cierran otros contactos

complementarios (esto se conoce como una accin de dos tiros), y por esto mismo este relevador

puede ser clasificado como un relevador de dos-polos dos-tiros (en ingls, DPDT o double-pole

double-throw).

A continuacin, tenemos un relevador Deltrol Controls, cuya bobina (coil) requiere un voltaje de 12

volts DC para energizarse:

Podemos leer en la cartula 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

tambin en las capacidades de manejo de voltaje y corriente que este relevador puede tolerar

corrientes elctricas 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

aplicacin de un voltaje de corriente directa. Pero tambin hay relevadores cuyas bobinas pueden

ser activadas mediante la aplicacin 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 cmo podemos representar la accin de un relevador electromecnico en un

diagrama de escalera. Emplearemos en nuestro ejemplo un relevador cuya bobina es accionada con

120 volts de corriente alterna:

Obsrvese el uso de la simbologa que habamos definido previamente para simbolizar a un

relevador de control con el smbolo 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 energa a la salida Y1, mientras que el contacto

normalmente abierto (N.A.) se cierra suministrndole energa 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 smbolo, con lo cual nuestro diagrama de escalera toma el siguiente

aspecto:

Este diagrama de escalera se lee de la siguiente manera: en el primer peldao cuando se cierra el

interruptor X1 el relevador CR1 es energizado; al ocurrir esto el contacto normalmente cerrado

deCR1 en el segundo peldao se abre cortando todo suministro de energa a la salida Y1, mientras

que en el tercer peldao el contacto normalmente abierto de CR1 se cierra suministrndole energa

a la salida Y2.

A continuacin tenemos un diagrama de escalera que muestra el modo de funcionamiento de un

relevador de control que posee dos interruptores (o polos):

Hemos aadido aqu un smbolo nuevo, el smbolo tpico de un indicador visual:

que puede ser una lmpara, un foco, un diodo emisor de luz LED, una lmpara fluorescente o

inclusive una seal proporcionada en el monitor de una computadora, que nos provee de una

confirmacin de que el relevador de control asociado con nuestro indicador visual est trabajando

bien, lo cual puede ser de gran ayuda para los tcnicos de mantenimiento.

Si pudisemos "montar" fsicamente 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 elctrica recibida al cerrarse el interruptor de entrada A, posiblemente veramos algo

como lo siguiente:

Identificando numricamente a cada uno de los peldaos de la escalera en orden ascendente al ir

bajando, el ltimo 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 seal enviada por

algn otro proceso de control, la bobina del relevador de control que est representada por el

smbolo CR1 en el primer peldao es energizada. En el segundo peldao tenemos a uno de los

interruptores normalmente abiertos del relevador de control CR1, el cual al ser energizada la

bobinaCR1 se cierra, energizando la salida Y1 que puede ser un motor, una bomba hidrulica, un

rayo lser o cualquier otra cosa que requiera ser energizada. En el tercer peldao 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 energa a la "carga" de salida Y2. De nueva cuenta, estamos representando con el

mismo smbolo 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 acta. Por ltimo,

en el cuarto peldao el interruptor normalmente abierto CR1 se cierra alimentando de este modo al

indicador visual Y3, dando una confirmacin visual de que el relevador de control CR1 est

trabajando. Obsrvese que al energizarse un relevador de control ste afecta directamente y en

forma simultnea todos aquellos peldaos en la escalera que incorporen contactos de salida de

dicho relevador. Esta es una consideracin de vital importancia a la hora de leer diagramas de

escalera.

El uso de relevadores electromecnicos nos permite repasar un fenmeno que habamos encontrado

previamente en el estudio de los circuitos lgicos: la aparicin de efectos de memoria al llevar a

cabo la retroalimentacin de seales en circuitos construdos con funciones lgicas bsicas, lo cual

nos puede llevar a preguntarnos: habr 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 energa al relevador de control CR1, lo cual cambia cuando

cerramos el contacto del interruptor X1 posiblemente oprimiendo algn botn. 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 botn X1 el relevador CR1 de

cualquier modo continuar energizado porque al estar energizado el contacto CR1 del mismo

relevador permanecer cerrrado. En efecto, el interruptor X1 ha dejado de ser relevante. Obsrvese

la importancia de lo que est sucediendo aqu. El relevador CR1 puede permanecer energizado

gracias a que l mismo est 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 ms ni nada

menos que una retroalimentacin en la cual el relevador de control CR1 se est ayudando "a s

mismo" a permanecer encendido, es algo que podemos llamar el efecto memoria en los diagramas

de escalera. Esta accin es reminiscente de algo que vimos al principio de la seccin de problemas

resueltos correspondiente al captulo 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. As, del mismo modo que la

retroalimentacin proporciona memoria a los circuitos lgicos, tambin proporciona efectos de

memoria en diseos de sistemas de control representados con diagramas de escalera. Y esto no se

trata de una accin parecida, se trata esencialmente de lo mismo, aunque la diferencia de las

representaciones esquemticas obscurezca un poco el hecho. Al menos en lo que a la teora bsica se

refiere, se trata de dos representaciones diferentes de una misma cosa.

El problema que tenemos en esta implementacin de efectos de memoria en el diagrama de escalera

es que despus de que el interruptor X1 ha sido oprimido momentneamente, el

relevador CR1queda 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 energa 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 travs del contacto

normalmente cerrado X2 y el contacto normalmente abierto CR1 se cierra. El

relevador CR1permanece encendido por el efecto de retroalimentacin, 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 seccin de problemas resueltos del captulo 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 utiliz como

ejemplo un motor elctrico de 120 VAC que es energizado al cerrarse un interruptor. Pero este no es

el nico tipo de motor que existe; hay tambin 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 elctrica conocida como corriente

trifsica, y requiere de tres cables de alimentacin en lugar de dos. El circuito de control para un

motor reversible emplea un relevador de uso pesado conocido como contactor, que no es ms que

un conjunto coordinado de varios contactos que se abren o se cierran de manera simultnea.

Podemos visualizar un contactor como un relevador comn y corriente el cual al energizarle su

bobina con una seal de control cierra al mismo tiempo todos sus contactos normalmente abiertos,

permitiendo el paso de corrientes elctricas separadas a travs de varios cables:

Un diagrama elctrico de un motor reversible que es controlado alimentndolo de corriente trifsica

a travs 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 trifsica a travs 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 trifsica cerrndose 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 botn interruptor de corriente stop que es un interruptor

normalmente cerrado, el cual puede ser utilizado como un "botn 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 momentneamente el botn normalmente abierto forward, con lo cual la

bobina del relevador M1 que cierra los contactos normalmente abiertos del contactor M1 recibe la

corriente elctrica a travs del contacto normalmente cerrado M2. Obsrvese que tenemos en esta

sub-seccin del circuito una configuracin que nos proporciona el efecto memoria, esto con la

finalidad de que no tengamos que mantener oprimido todo el tiempo el botn forward para

mantener al motor trabajando. Del mismo modo, si queremos echar a andar el motor en el

sentido inverso, oprimimos momentneamente el botn normalmente abierto reverse, con lo cual

la bobina del relevador M2 que cierra los contactos normalmente abiertos del contactor M2 recibe

la corriente elctrica a travs del contacto normalmente cerrado M2. Obsrvese que tenemos aqu

otra sub-seccin del circuito con una configuracin que tambin nos proporciona el efecto memoria,

independiente de la anterior, tambin con la finalidad de que no tengamos que mantener oprimido

todo el tiempo el botn reverse para mantener al motor trabajando. Una vez que hemos echado a

andar el motor ya sea oprimiendo el botn forward o el botn reverse, podemos detener

posteriormente al motor oprimiendo el botn stop, lo cual corta de tajo la alimentacin de corriente

a toda la configuracin. En este diagrama aparece otro contacto normalmente cerrado que tambin

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

est diseado para manejar, en cuyo caso el motor se "atasca" quedando expuesto a un

sobrecalentamiento que puede terminar destruyndolo en poco tiempo. El interruptor OL puede ser

un interruptor trmico, el cual al aumentar la temperatura arriba de cierto lmite se abre

interrumpiendo el flujo de la corriente.

En el circuito que acabamos de ver, la presencia aparentemente superflua de los

contactosnormalmente cerrados M1 y M2 puestos en el mismo tiene un propsito muy especfico.

Han sido puestos all en la eventualidad de que el operador del sistema apriete al mismo tiempo los

botonesforward y reverse. Si no estuvieran all dichos contactos, las fases A y B de la corriente

trifsica entraran en corto-circuito por el hecho de que el contactor M1 enva las

fases A y B directamente hacia el motor mientras que el contactor M2 las invierte. La

fase A entrara en corto-circuito con la fase B y viceversa. Para impedir que esto ocurra, es

indispensable disear el sistema de modo tal que la energizacin de un contactor impedir la

energizacin del otro contactor. Obsrvese en el diagrama de escalera que si oprimimos el

botn forward, el contacto normalmente cerrado M1 en la sub-seccin inferior se abre de modo tal

que aunque se oprima el botn reverse no llegar corriente elctrica alguna al contactor M2. Del

mismo modo, si oprimimos el botn reverse, el contacto normalmente cerrado M2 en la sub-

seccin superior se abre de modo tal que aunque se oprima el botn forward no llegar corriente

elctrica alguna al contactor M1. Esta tcnica de proteccin es conocida como interlocking.

Si pudimos encontrar el equivalente de las tres funciones lgicas bsicas dentro de los diagramas de

escalera, si hemos podido construr el equivalente de sistemas con memoria mediante los diagramas

de escalera, acaso no ser posible construr tambin el equivalente de otros componentes y bloques

lgicos en los diagramas de escalera? Tomemos por ejemplo el flip-flop R-S, el cual se puede

construr utilizando ya sea bloques NAND o bloques NOR. Los bloques NOR y los bloques NAND se

obtienen con las tres funciones lgicas bsicas, mismas funciones que tambin existen en los

diagramas de escalera. Y la funcin de retroalimentacin empleada para construr un flip-flop R-S

tambin puede ser implementada en los diagramas de escalera. Esto nos debe convencer de que, en

principio, debemos poder construr 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

solucin al siguiente:

PROBLEMA: Disear el equivalente de un flip-flop R-S usando un diagrama lgico de escalera.

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

Si el interruptor normalmente abierto X1 es cerrado as sea momentneamente, al energizarse el

relevador de control CR1 ste relevador por el efecto de la retroalimentacin del mismo peldao

que lo alimenta se enciende y se queda encendido, lo cual hace que la salida Y1 en el tercer peldao

se "encienda". Al quedarse encendido CR1 despus de haberse oprimido X1, el

interruptornormalmente cerrado CR1 que est puesto en el segundo peldao se abre, cortando as

cualquier suministro de corriente que pudiera estarse dando a travs de la retroalimentacin en

dicho peldao al relevador de control CR2. En otras palabras, esto "limpia" la "memoria" que

pudiera haber habido en el segundo peldao, "apagando" al relevador CR2, lo cual hace que la

salida Y2 del cuarto peldao se "apague" si es que estaba encendida. En este estado de cosas, el

relevador CR1permanece encendido an con el interruptor X1 abierto, mientras que el relevador de

control CR2permanece apagado, lo cual podemos confirmar visualmente al ver al

foco Y1 encendido y al focoY2 apagado.

Ahora cerraremos el interruptor X2 momentneamente. Al energizarse el relevador de

control CR2ste relevador por el efecto de la retroalimentacin en el mismo peldao (el segundo

peldao de la escalera) que lo alimenta se enciende y se queda encendido, lo cual hace que la

salida Y2 en el cuarto peldao se "encienda". Al quedarse encendido CR2 despus de haberse

oprimido X2, el interruptor normalmente cerrado CR2 que est puesto en el primer peldao se

abre, cortando as cualquier suministro de corriente que pudiera estarse dando a travs de la

retroalimentacin en dicho peldao al relevador de control CR1. En otras palabras, esto "limpia" la

"memoria" que pudiera haber habido en el primer peldao, "apagando" al relevador CR1, lo cual

hace que la salidaY1 del tercer peldao se "apague" si es que estaba encendida. En este estado de

cosas, el relevadorCR2 permanece encendido an con el interruptor X2 abierto, mientras que el

relevador de controlCR1 permanece apagado, lo cual podemos confirmar visualmente al ver al

foco Y2 encendido y al foco Y1 apagado. La configuracin 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 configuracin 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,

resultar 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 construdo con bloques NOR.

El que hayamos podido crear dentro de los diagramas de escalera no slo un equivalente completo

de los circuitos lgicos que hemos estudiado previamente sino tambin 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 obstculo terico alguno para poder hacerlo. Esto lo podemos

enunciar de modo categrico con el siguiente enunciado:

Todos los circuitos lgicos, tanto aquellos que forman parte de la lgica combinatoria como los

que forman parte de la lgica secuencial (construda a base de flip-flops) tienen una

implementacin equivalente en los diagramas de escalera.

Este enunciado tiene un alcance amplio; nos est asegurando que podemos construr mediante

diagramas de escalera flip-flops D, flip-flops J-K, contadores binarios, etc. Pero aqu el lector puede

ser asaltado por una duda. Si recordamos la accin 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 estticas en las cuales lo que

ocurre en un peldao puede influr directamente sobre lo que ocurre en otros peldaos, pero estos

efectos son inmediatos, el factor tiempo no interviene en ellos. Si queremos extender los diagramas

de escalera para cubrir tambin todos los circuitos secuenciales que hemos estudiado en esta obra,

necesitamos introducir algn relevador de control en el cual la accin de un tiempo predeterminado

tenga un efecto directo, y esto es precisamente lo que haremos a continuacin.

Sin lugar a dudas, el empleo de relevadores electromecnicos 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 accin en sus

salidas no ocurre de inmediato, sino que hay un retardo de tiempo tras el cual obtenemos la accin

deseada con las salidas normalmente abiertas convirtindose en salidas normalmente cerradas y las

salidas normalmente cerradas convirtindose 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, tambin hay relevadores de retardo de tiempo activados con la aplicacin 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

estn 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 despus 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 ms generalizado, pero no

es el nico posible. Los contactos de un relevador de tiempo tienen que ser clasificados no slo por

ser normalmente abiertos o normalmente cerrados, sino tambin segn la accin 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 simbologa para representar los relevadores de retardo de tiempo es amplia

y variada, e inclusive mucha de la simbologa que hemos visto aqu para representar las entradas,

las salidas y los relevadores de control tambin suele ser diferente de un fabricante a otro.

Empezaremos dando aqu la representacin de la accin de un relevador de tiempo con un smbolo

usado ampliamente aunque no de manera universal:

Obsrvese que seguimos mantenindonos en la convencin de representar tanto la entrada de un

relevador (su bobina) como los contactos activados a la salida del mismo con un mismo

identificador alfanumrico, en este caso TD1.

En el primer peldao de la escalera, al cerrarse el interruptor X1 mantenindose cerrado, la bobina

del relevador de tiempo TD1 es energizada. Obsrvese que en el segundo peldao estamos

utilizando uno de los interruptores normalmente cerrados del relevador de tiempo TD1.

El smbolo del interruptor X1 tambin aparece en el segundo peldao de esta escalera. Puesto que

son peldaos 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 suministrndose energa al relevador de tiempo TD1, en el segundo

peldao existe un camino de conduccin elctrica para suministrar energa al "foco" de salida. Si el

relevador TD1 fuera un relevador de control ordinario sin accin alguna de retardo de tiempo,

entonces el interruptor TD1 en el segundo peldao se abrira inmediatamente y el foco a la salida se

apagara de inmediato; esto es, nunca lo veramos encenderse. Pero como se trata de un relevador

de retardo de tiempo, la salida normalmente cerrada no se abrir sino hasta despus 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 peldao se abrir, cortando el

suministro de energa a la salida, aunque el interruptor X1 permanezca cerrado. Esta accin 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"

lgico o a un "0" lgico como niveles de voltaje en virtud de que la accin lgica que est 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 ms que otra

forma de implementacin de un componente que ya habamos visto en uno de los captulos de la

obra principal: el multivibrador monoestable. Y de hecho, con dos relevadores de retardo de tiempo

(uno para controlar la duracin del tiempo de encendido y el otro para controlar la duracin del

tiempo de apagado) podemos construr fcilmente un multivibrador astable, cambiando de un

estado a otro en forma alternada mientras est 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 lgicos 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 sofisticacin puede resultar mucho ms 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 smbolo del contacto interruptor TD1; en el diagrama de escalera previo el smbolo

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 despus de que ha

transcurrido un tiempo prefijado, mientras que aqu en este diagrama de escalera el smbolo 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 duracin de tiempo mayor que la entrada que accion

al relevador de tiempo, lo cual es resaltado con los diagramas de tiempo. Aqu, al

cerrarsemomentneamente el interruptor X1, el contacto TD1 en el segundo peldao se activa

inmediatamente y permanecer cerrado an despus de que el interruptor X1 es regresado

nuevamente a su condicin de interruptor abierto. El tiempo que este relevador de tiempo mantiene

cerrado el contacto TD1 suministrando energa a la carga de salida empieza a correr despus de que

el contacto X1 es devuelto a su condicin de normalmente abierto, lo cual no impide que el

relevadorTD1 contine 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 despus 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 despus 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 condicin 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 despus 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 condicin 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 despus de haber sido desenergizada la bobina.

La simbologa utilizada para la representacin de estos cuatro tipos diferentes de relevadores de

tiempo vara segn el fabricante y los textos consultados. Una representacin 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 ltimos diagramas de escalera

que acabamos de estudiar. Usando este tipo de simbologa, los dibujos que corresponden a cada uno

de los cuatro tipos mencionados son los siguientes:

La anterior clasificacin puede dejar al lector con la impresin de que un fabricante necesitara

construr cuatro tipos diferentes de relevadores de tiempo para satisfacer todos los requerimientos

posibles de todos sus clientes, pero esto no es as, 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 construdo 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 tambin es

construdo desde un principio con contactos normalmente abiertos y normalmente cerrados.

Ms an, se puede obtener un relevador de tiempo de accin retardada de uno de accin 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 accin retardada (el contacto normalmente cerrado se abre despus de cierto tiempo)

mientras que el relevador de tiempo "normalmente abierto - apertura cronometrada" es un

relevador de accin inmediata (el contacto normalmente abierto se cierra de inmediato).

En el circuito mostrado en el siguiente diagrama de escalera:

la accin resultante del circuito ser obtenida (observada) en la salida Y (que supondremos se trata

de una lmpara). Al oprimirse momentneamente el botn X, el relevador ordinario CR1 es

activado a travs del contacto TD1 en el primer peldao, y permanecer activado an despus de

soltarse el botn X en virtud del contacto normalmente abierto CR1 en combinacin lgica OR con

el botn interruptor en virtud de haberse cerrado. En el segundo peldao, el contacto normalmente

abierto CR1 tambin se ha cerrado empezando con la energizacin de la bobina del relevador de

tiempo TD1, y el contacto normalmente abierto CR1 en el tercer peldao tambin se energiza

activando la salida Y. Resulta obvio que el relevador de tiempo TD1 es un relevador del tipo

"normalmente cerrado - apertura cronometrada" porque as lo identifica el smbolo de su contacto

puesto en el primer peldao. Al cabo de un cierto tiempo predeterminado, el relevador de

tiempoTD1 acta de manera tal que el contacto normalmente cerrado TD1 en el primer peldao se

abre, interrumpiendo la alimentacin de corriente al relevador ordinario CR1. Esto hace que se

corte la energa al relevador de tiempo TD1 en el segundo peldao y que se corte tambin la energa

a la salida Y. De haber utilizado nicamente el relevador de tiempo TD1 por s solo, la lmpara Y se

habra encendido un tiempo despus de haber estado manteniendo oprimido el botn X, mientras

que en esta configuracin la lmpara Y se enciende de inmediato y se apaga despus 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 direccin (forward) o en la direccin contraria (reverse) segn se requiera. Si el motor

estuviera moviendo una carga pesada, por ejemplo un abanico grande, el motor podra continuar

girando por su propia inercia durante cierta cantidad de tiempo an despus de haberse oprimido el

botn stop, lo cual podra representar un problema en caso de que el operador tratase de invertir la

direccin del motor sin esperar a que el abanico se haya detenido completamente. Si el abanico

contina girando mientras va perdiendo velocidad y el botn reverse fuera oprimido antes de que

el abanico se haya detenido completamente, el motor tratara de sobreponerse a la inercia rotatoria

del abanico al intentar ponerse en marcha en reversa, para lo cual tendra que "jalar" cantidades

mayores de corriente elctrica reduciendo con este maltrato tanto la vida del motor como los

engranajes mecnicos del abanico y el abanico mismo. Para impedir que esto pueda ocurrir,

queremos aadir alguna funcin 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:

Obsrvese que estamos utilizando aqu 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 ms 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 direccin opuesta de rotacin por varios segundos mientras el abanico se detiene

por completo.

Si el motor ha estado girando en la direccin forward, tanto el contactor M1 como el relevador de

tiempo TD1 habrn estado energizados. De ser as, los contactos normalmente cerrados del

relevador TD1 se abrn abierto inmediatamente al haber sido energizado dicho relevador. Cuando

el botn stop es oprimido, el contacto TD1 esperar un tiempo predeterminado antes de regresar a

su estado normalmente cerrado, manteniendo el circuito correspondiente al botn reverse abierto

durante todo ese tiempo, de modo tal que el contactor M2 no podr ser energizado aunque se

oprima el botn reverse. Al cumplir el relevador TD1 con su tiempo predeterminado, el

contacto TD1 se cerrar y permitir que el contactor M2 pueda ser energizado si se oprime el botn

reverse. Del mismo modo, el relevador de retardo de tiempo TD2 impedir que el

botn 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 anlisis. Si ponemos un poco de atencin, descubriremos que las funciones de proteccin

llevadas a cabo por los relevadores de tiempo TD1 y TD2 han vuelto innecesarios los contactos

normalmente cerrados M1 y M2 que habamos puesto para la funcin 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 yTD2, 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 funcin dual:

impidiendo que el otro contactor pueda ser energizado cuando el motor est girando en una

direccin, y evitando que tal contactor se pueda energizar hasta que el motor no se haya detenido

por completo. Es as como llegamos al siguiente circuito de control simplificado:

Se haba afirmado anteriormente que todos los circuitos lgicos, tanto aquellos que forman parte de

la lgica combinatoria como los que forman parte de la lgica secuencial construda a base de flip-

flops, tienen una implementacin equivalente en los diagramas de escalera, pero que en el caso de la

lgica secuencial necesitbamos un relevador que nos permitiera efectuar operaciones

cronometrizadas. Esto ya lo tenemos con cuatro diferentes tipos de relevadores de tiempo a nuestra

disposicin, lo cual nos permite llevar a cabo la construccin del elemento lgico secuencial ms

importante de todos: el flip-flop J-K. Esto lo podemos enunciar mediante un

PROBLEMA: Construr, sobre un diagrama de escalera, el equivalente funcional de un flip-flop

J-K tal que los cambios de estado ocurran durante la transicin positiva de los "pulsos de reloj".

Un equivalente funcional del flip-flop J-K construdo con relevadores electromecnicos tiene la

siguiente representacin 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 as como las salidas Q y Q del flip-flop. Este flip-flop J-K electromecnico acta de

la siguiente manera: Cuando las "entradas" J y K son iguales a un "1" lgico, lo cual en este caso

requiere que los contactos normalmente abiertos sean cerrados, el flip-flop cambiar de estado con

cada transicin 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" lgico y la entrada K es igual a un "0" lgico, el flip-flop

entrar 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"

lgico y la entrada K es igual a un "1" lgico, el flip-flop entrar 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 estn puestas a un "0" lgico, el estado del flip-flop no

cambiar ante las transiciones que ocurran en la entrada C.

Recordemos de la seccin de problemas resueltos del texto principal cmo del flip-flop J-K podemos

derivar los dems flip-flops restantes, tanto el flip-flop T como el flip-flop D. Esto sigue siendo

igualmente vlido e igualmente fcil de lograr sobre un diagrama de escalera usando relevadores

electromecnicos:

PROBLEMA: Construr, sobre un diagrama de escalera, el equivalente funcional de un flip-flop T

tal que sus cambios de estado ocurran durante la transicin positiva de los "pulsos de reloj".

Recurdese que el flip-flop T es un flip-flop sin terminales de entrada J-K, el cual simplemente

cambia de estado con cada transicin positiva (o negativa, segn sea el caso) en su nica terminal de

entrada. Esto lo podemos lograr sobre el diagrama anterior substituyendo en dicho diagrama los

contactos normalmente abiertos J y K por una conexin "directa" que garantizar el equivalente

permanente de un "1" lgico puesto todo el tiempo sobre dichas terminales, con lo cual tendremos

un flip-flop de una sola entrada que cambiar de estado cada vez que el contacto normalmente

cerrado C se cierre. El diagrama de escalera para este flip-flop J-K ser entonces:

Puesto que todas las funciones lgicas combinatorias y secuenciales se pueden implementar

mediante relevadores electromecnicos, y puesto que las computadoras de uso actual estn

construdas con semiconductores que implementan funciones lgicas combinatorias y secuenciales,

esto podra hacer suponer que, en principio, podemos construr una computadora de principio a fin

utilizando relevadores electromecnicos. Esto fue precisamente lo que se hizo cuando se construy

en los Estados Unidos la computadora Harvard Mark I y en Alemania cuando se construy la

computadora Z3:

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

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

Sin embargo, an para nuestros tiempos, una computadora construda con relevadores

electromecnicos sigue teniendo un costo mucho mayor que una computadora construda con

semiconductores, adems de ser muchsimo ms lenta que su contraparte construda con millones

de transistores puestos en un solo "chip" semiconductor.

La desventaja de relevadores de retardo de tiempo como los que se han sealado aqu 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 espritu de la automatizacin. Esta desventaja puede ser superada

construyendo relevadores de retardo de tiempo que puedan ser programables a travs de una

circuito controlador, lo cual nos lleva a la necesidad del diseo de controladores programables.

La idea esencial para construr un controlador programable consiste en construr primero

unmdulo que contenga no uno sino varios relevadores, y el cual en su parte frontal quiz tendr un

aspecto como el siguiente:

Obsrvese que del lado izquierdo tenemos una hilera de tornillos identificados con los

smbolos Xpropios de las entradas representadas en un diagrama de escalera, mientras que del lado

derecho tenemos una hilera de tornillos identificados con los smbolos Y propios de las salidas de

un diagrama de escalera, siguiendo la prctica 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 elctrico tambin requiere energa para poder funcionar, este PLC recibe su energa

mediante los tornillos L1 y L2 conectados a los rieles de la escalera. Las entradas al PLC sern

tomadas del mundo exterior a travs de interruptores o sensores y los cables de seal sern 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 cuestin de comodidad y conveniencia para los tcnicos que

habrn de darle mantenimiento a este tipo de aparatos, ya que la alternativa de soldar requiere

herramientas que van ms all del uso de un simple desarmador.

A continuacin, suponiendo que los rieles de la escalera estn siendo alimentados con un voltaje de

120 volts AC, podemos ver cmo la entrada X1 a nuestro PLC es energizada al cerrarse el contacto

que corresponde a dicha entrada (el multmetro nos confirma la presencia del voltaje de 120 VAC

entre la terminal de entrada X1 y la terminal comn identificada como Common):

El uso de una terminal comn Common nos ayuda a reducir la cantidad de alambrado requerida.

Sin la terminal comn, se requeriran varios pares de cables para proporcionarle energa a cada una

de las entradas X del PLC. Usando un cable comn de "retorno de corriente" para todos los casos, la

cantidad de alambrado se reduce a la mitad. Podemos ver en la representacin de nuestro PLC que a

un lado de cada tornillo que corresponde a cada terminal de entrada hay un foquito LED que se

enciende confirmndole al tcnico la activacin de dicha entrada.

Ahora tenemos a nuestro PLC energizando la salida Y1 al ser activada dicha salida (el multmetro

nos confirma la presencia del voltaje de 120 VAC que est recibiendo la carga):

Posiblemente el lector ya se estar preguntando cul es la funcin del conector pequeo que aparece

en la parte inferior del PLC identificado como Programming Port.

En tiempos de antao, antes de que hicieran su aparicin los transistores, los circuitos integrados y

los microprocesadores, la "programacin" por as llamarla se llevaba a cabo manualmente,

implementndose todo con relevadores electromecnicos 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 automtico construdo con tales controladores. El PLC que

hemos descrito, trabajando prcticamente por s solo, an se encuentra en numerosas aplicaciones

"viejitas". Pero la revolucin tecnolgica que estamos viviendo est haciendo posible algo que en

otros tiempos hubiera sido impensable: conectar el PLC directamente a una computadora personal

PC dejndole a la computadora muchas de las labores de "inteligencia". Esto en otros tiempos

hubiera estado fuera de cualquier presupuesto porque mientras que un controlador bsico poda

tener un costo de algunos cientos de dlares, las computadoras que haba tenan un costo de varios

millones de dlares. Hoy que la brecha se ha cerrado, la conexin de un PLC a una computadora de

escritorio (o inclusive a una computadora porttil de bolsillo) se lleva a cabo precisamente mediante

un conector en el PLC identificado con algn nombre como puerto de programacin, el cual todava

hasta hace poco era conectado a una computadora a travs de un cable bajo el protocolo RS-232

pero ms recientemente se est conectando a travs 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 algn programa que no slo muestre el diagrama de escalera

que est siendo implementado, sino que inclusive a travs del mismo teclado se pueden modificar

muchos de los parmetros en el diagrama de escalera sin necesidad de tener que meter la mano

dentro del PLC. Todo se lleva a cabo hoy en da directamente desde la computadora.

A continuacin tenemos un esquema que ilustra la idea bsica 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 smbolo en el monitor de la computadora en un

diagrama de escalera, mientras que el foco conectado a la salida Y1 del PLC es representado

tambin 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 smbolo

para X1 como el smbolo para Y1 se tien de color rojo (por su parte, en la misma cartula 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 confirmndole al tcnico 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 aqu, ya no es necesario "salir afuera" con un desarmador en la

mano. Con unas modificaciones a travs 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 fsico, podemos

ver que el interruptor no ha sido "cerrado" y por lo tanto el foquito LED en el PLC est apagado.

Pero como X1 ha sido "convertido" por accin de programacin en la computadora en un

interruptor normalmente cerrado, el hecho de que est abierto implica que estar suministrando

energa 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 accin

de alguna de las salidas, ya no tenemos que salir para andar moviendo perillas, lo podemos hacer

tambin desde el teclado de la computadora, pudiendo variar el retardo de tiempo en cualquier

salida desde microsegundos o milisegundos hasta varias horas o das, con una precisin

cronomtrica que los hoy ya prcticamente obsoletos relevadores de retardo de tiempo no podan

proporcionar.

A continuacin tenemos un ejemplo de cmo la accin de tres interruptores de entrada es

convertida en una funcin lgica elaborada gracias a la programacin llevada a cabo sobre el PLC

con la ayuda de la computadora:

En este caso, tenemos tres interruptores X1, X2 y X3 de activacin manual, todos ellos

normalmente abiertos, conectados a sus respectivas entradas al PLC, en el cual gracias a la

programacin llevada a cabo con la ayuda de la computadora son combinados para formar la

siguiente funcin Boleana:

Y1 = X1X2 + X2X3 + X1X3

Con la misma facilidad con la cual formamos esta funcin Boleana a partir de los tres interruptores

conectados a las entradas del PLC podramos haber formado funciones Boleanas ms complejas

an, lo cual nos d una muestra de las enormes ventajas que tiene el darle capacidades de

programacin a los controladores lgicos.

Ahora se mostrar la implementacin en un PLC de algo que ya vimos aqu previamente; la dotacin

de una "memoria" a una configuracin usando para ello la retroalimentacin:

En este esquema, podemos ver en el diagrama de escalera que si se oprime manualmente el botn

interruptor normalmente abierto X1, identificado como "Activacin del Motor", la salida del

relevador de control Y1 ser energizada con lo cual dicho relevador cerrar 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 est en combinacin lgica OR con X1 ser tambin cerrado.

Este es el contacto normalmente abierto Y1, y aunque el botn interruptor X1 deje de ser oprimido

el motor seguir trabajando por el efecto "memoria" que est proporcionando la retroalimentacin

deY1 hacia s mismo a travs de uno de sus contactos. Si queremos detener el movimiento del

motor, tenemos que abrir el contacto normalmente cerrado X2 oprimiendo dicho botn. Obsrvese

que en el diagrama de escalera antes de comenzar la accin el interruptor X2 no es mostrado de

color rojo pese a que el foquito LED del PLC est encendido indicando suministro de energa, en

virtud de que a X2 se le considera "encendido" cuando el contacto es abierto por accin del usuario.

El empleo de relevadores electromecnicos de uso pesado para este tipo de funcin es ms comn

de lo que muchos pudieran imaginarse: cada vez que una persona entra a un ascensor y oprime un

botn 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 botn 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

requisicin del usuario. Pero este tipo de circuito puede trabajar en forma completamente

automtica sin intervencin humana, como lo muestra el siguiente ejemplo animado de un tanque

de almacenamiento de lquidos que consta de dos sensores que detectan uno de ellos un nivel bajo

de lquido y el otro un nivel alto de lquido (ampliar imagen para poder ver la accin con efectos

animados):

En este ejemplo, al principio el tanque est inicialmente vaco y todos los interruptores estn en la

condicin de "verdadero" (True). En el monitor de una computadora que supervisa no slo lo que

ocurre en el diagrama de escalera (puesto a la derecha) sino inclusive en una representacin

pictogrfica de lo que se est controlando (puesto a la izquierda), al empezar con el tanque vaco

todos los interruptores aparecen de color verde al igual que los sensores de un nivel bajo del lquido

(low level) y un nivel alto del lquido (high level). Estos dos sensores son las entradas en el

diagrama de escalera. Es importante remarcar aqu antes de que el ejemplo se pueda prestar a

confusiones que en esta representacin visual se utiliza el mismo smbolo para un interruptor

normalmente cerrado que el que se usa para un interruptor normalmente abierto, y la labor de

distincin se debe hacer tomando en cuenta lo que ocurre en el diagrama pictogrfico a la izquierda.

Al comienzo, el motor de llenado de lquido (fill motor) que aparece como una salida puesta en el

segundo peldao del diagrama de escalera es energizado gracias al contacto normalmente cerrado

en el segundo peldao que es un contacto perteneciente al relevador de control cuya salida a su vez

est puesta en la esquina superior derecha del primer peldao del diagrama de escalera; por lo tanto

al comienzo el motor se encuentra trabajando llenando el tanque de lquido. Podemos conclur que

los dos interruptores puestos en el primer peldao del diagrama de escalera son

interruptoresnormalmente cerrados ya que de otra forma por estar ambos en configuracin AND el

motor de llenado no podra estar trabajando. Al irse llenando el tanque, el sensor de nivel bajo de

lquido eventualmente es activado pasando con ello de la condicin de "verdadero" (True) a la

condicin "falsa" (False), destacada con letras de color rojo en el primer interruptor (normalmente

cerrado) puesto en el extremo izquierdo del primer peldao que corresponde precisamente al sensor

de nivel bajo de lquido. En el diagrama pictogrfico, el mismo sensor de nivel bajo de lquido

cambia de color verde a color rojo resaltando su activacin. Pero el llenado de lquido no se detiene

al abrirse este interruptor, ya que por el efecto "memoria" la corriente elctrica encuentra un

camino alterno (indicado por una lnea de color azul). Eventualmente, el tanque se sigue llenando

hasta que el sensor de nivel alto de lquido es activado pasando tambin de la condicin de

"verdadero" (True) a la condicin "falsa" (False). Al ocurrir esto, el segundo

interruptor normalmente cerrado del primer peldao pasa de "verdadero" (True) a la condicin

"falsa" (False), lo cual corta definitivamente el suministro de energa a la salida correspondiente al

relevador de control del motor de llenado que tambin entra en condicin False al ser apagada . De

este modo, queda claro que los dos interruptores que aparecen en el primer peldao del diagrama

de escalera son los que corresponden a las entradas proporcionadas por ambos sensores de nivel

alto y nivel bajo de lquido. Al apagarse el relevador de control, su salida con la cual se est

retroalimentando pasa tambin a la condicin False al igual que su salida con la cual estaba

permitiendo la energizacin del motor de llenado en el segundo peldao. Es as como todos los

interruptores entran en la condicin de False en el diagrama de escalera. Al apagarse el motor, el

nivel del lquido en el tanque empieza a descender conforme a su uso normal, hasta que

eventualmente el nivel del lquido est por debajo del sensor del nivel alto que con ello pasa de la

condicin False a la condicinTrue. Pero esto no es suficiente para echar a andar el motor de

llenado de lquido, ya que es necesario que el sensor de nivel bajo de lquido tambin entre en la

condicin 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 automtico del

tanque.

El circuito que acabamos de estudiar es un circuito de ciclo perpetuo. Una vez que ha sido echado a

andar, continuar trabajando por s solo sin intervencin humana de ningn 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 sofisticacin, los mismos PLC han ido

evolucionando en capacidad y en funciones, a grado tal que muchos de los relevadores

electromecnicos que dieron origen al PLC son prcticamente obsoletos, desplazados por la

presencia de semiconductores de alta potencia capaces de manejar voltajes y corrientes elevados. A

continuacin tenemos una muestra de un "relevador" de estado slido en el cual ya no hay bobinas

de alambre ni resortes ni palancas mecnicas mviles:

En este relevador de estado slido, mejor conocido como opto-acoplador (opto-coupler) hay un

aislamiento elctrico 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 travs de la carga. Obsrvese que con esta

configuracin la entrada es alimentada con una fuente de corriente directa, mientras que la carga

recibe por su parte la energa de una fuente de corriente alterna, y todo ello sin necesidad de

recurrir a electrnica interna costosa, lo cual ha sido posible gracias al advenimiento de la

optoelectrnica que proporciona este tipo de aislamientos entre circuitos distintos utilizando a la luz

como intermediaria.

Un PLC de "nueva generacin" es el Allen-Bradley PLC5, expandible a base de mdulos, el cual se

muestra a continuacin:

La "rejilla" (rack) que alberga los mdulos incluye como mnimo una fuente de poder que sea capaz

de alimentar las funciones bsicas de procesamientos de todos los mdulos que sean montados en

ella, y debe inclur tambin un mdulo especial fijo (permanente, no-removible) que incorpore un

microprocesador o un microcontrolador que llevar a cabo las funciones de control y programacin

interna dentro del PLC tanto de las entradas como de las salidas. Los mdulos opcionales

generalmente son mdulos para poder manejar entradas o para poder manejar salidas, con distintas

capacidades segn lo requieran las necesidades de los clientes. Si alguna aplicacin requiere

sbitamente aumentar el nmero de relevadores de control de salidas de cinco a treinta, por

ejemplo, no hay necesidad de tener que adquirir otro PLC completamente nuevo perdindose con

ello la inversin original, slo es necesario adquirir otro mdulo para poder aumentar as la

capacidad de manejo de salidas del PLC. Esta es esencialmente la idea detrs 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 crey que ocurrira.

Un PLC de este tipo ofrece una gran flexibilidad a un costo igualmente grande, aunque para

aplicaciones de automatizacin y control industrial y comercial existen controladores lgicos ms

econmicos que inclusive adems de ser porttiles se pueden programar directamente en el rea de

trabajo emplendose la cartula en la cual aparece el diagrama de escalera como medio visual para

poder leer, interpretar, y reprogramar si es necesario, cualquiera de los parmetros de los que

consta alguna aplicacin, como lo es el caso del controlador ZEN fabricado por la empresa japonesa

Omron:

Hemos hablado aqu de los controladores lgicos programables, desarrollados a fines de los aos

sesenta, los cuales estn siendo reemplazados por los ms modernos controladores

programables de automatizacin (Programmable Automation Controller o PAC), los cuales

ofrecen la posibilidad de utilizar algoritmos avanzados de control, manipulacin extensiva de bases

de datos, simulacin de procesos complejos, procesamiento veloz bajo control de microprocesador,

y capacidad en el manejo de rangos de memorias que estn fuera del alcance de los PLCs.