Unidad 2 Introducción a los sistemas Mecatrónicos
2.1 Sensores y transductores
El término sensor se refiere a un
elemento que produce una señal relacionada con la cantidad que se está
midiendo. Por ejemplo, en el caso de un elemento para medir temperatura mediante resistencia eléctrica, la cantidad que se mide es la temperatura y el sensor transforma una entrada de
temperatura en un cambio en la resistencia. Con frecuencia se utiliza el término
transductor en vez de sensor.
Los transductores se definen como
el elemento que al someterlo a un cambio físico experimenta un cambio relacionado. Es decir, los sensores son
transductores. Sin embargo, en un sistema de medición se pueden utilizar transductores, además de sensores, en otras partes del sistema para convertir señales de una forma dada en otra distinta.
Terminología del funcionamiento:
Los siguientes términos se emplean para definir
el funcionamiento de los transductores y con frecuencia, el de los sistemas de medición como un
todo.
1.- Rango y margen. el rango de un transductor define los limites
entre los cuales puede variar la entrada. el margen es el valor máximo de
la entrada menos el valor mínimo Por ejemplo, una celda de carga
utilizada para medir fuerzas, podría tener un rango de 0 a 50 kN y un
margen de 50kN.
2.- Error. el error es la diferencia entre el resultado de una medición y
el valor verdadero de la cantidad que se mide.
Error = valor medido - valor real
3.- Exactitud. la exactitud es el grado hasta el cual un valor producido por un
sistema de medición podría estar equivocado. es por lo tanto,
igual a la suma de todos los errores posibles mas el error en la exactitud de
la calibración del transductor.
4.-Sensibilidad. la sensibilidad es la relación que
indica que tanta salida se obtiene por unidad de entrada, es decir, salida
/entrada.
5.- Error por histeresis. los transductores pueden producir
distintas salidas de la misma magnitud que se mide, si dicha magnitud se obtuvo
mediante un incremento o una reducción continuos. a este efecto se le
conoce como histéresis.
6.- Error por no linealidad. para muchos transductores se
supone que en su rango de funcionamiento la relación entre la entrada
y la salida es lineal, es decir, la gráfica de la salida respecto a
la entrada produce una linea recta. sin embargo, son pocos los transductores en
los que la relación anterior es realmente una linea recta; por ello,
al suponer la existencia de esta linealidad se producen errores. este error se
define como la desviación máxima respecto a la linea
recta correspondiente.
7.-Repitibilidad/Reproducibilidad. los términos repetibilidad
y reproducibilidad se utilizan para describir la capacidad del transductor para
producir la misma salida después de aplicar varias veces el mismo
valor de entrada. cuando ya no se logra obtener la misma
salida después de aplicar el valor de entrada, el error se expresa
como un porcentaje de la salida a un rango total.
8.- estabilidad. la estabilidad de un transductor es la
capacidad para producir la misma salida cuando se emplea para medir una entrada
constante en un periodo.
9.- Banda /tiempo muerto. la banda muerta o espacio muerto
de un transductor es el rango de valores de entrada durante los cuales no hay
salida.
10.- Resolución. Cuando la entrada varía
continuamente en todo el rango, las señales de salida de algunos sensores
pueden cambiar a pequeños intervalos.
11.- Impedancia de salida. Cuando un sensor que produce una
salida eléctrica se vincula con un circuito electrónico es
necesario conocer la impedancia de salida, dado que esta se va a conectar en
serie o en paralelo con dicho circuito.
Tipos de Sensores
Tipos de Sensores
Los sensores resistivos son los que aprovechan los cambios de
resistencia en su
material para medir la señal asociada. Este tipo de sensores basados en
la variación de la resistencia eléctrica son muy usados ya que son muchas propiedades
físicas que la afectan, pudiendo clasificarse en mecánicas, térmicas,
ópticas químicas.
Un potenciómetro es una resistencia variable cuyo valor se determina por
el desplazamiento de un contacto móvil deslizante o giratorio. Este desplazamiento,
se convierte en una diferencia de potencial, de donde se vuelve un sensor muy
usado.
Sensores capacitivos
Los condensadores están formados de dos placas o láminas conductoras separadas por un material dieléctrico. Una aplicación de sensores capacitivos son los detectores de nivel, los cuales modifican sus características al modificar la cantidad de dieléctrico entre sus placas, producto del nivel del líquido que están midiendo. En ocasiones es el mismo líquido el que simula ser la segunda placa del condensador
Sensores inductivos
Los sensores inductivos son
los que trabajan en forma de bobinas. Las bobinas están formadas por hilo de
cobre enrollado, también llamado devanado, y cuyo principio de funcionamiento
es que al pasar una corriente eléctrica por sus terminales, éstas almacenan
energía en forma de campo magnético. Debido a estas características, la
detección de materiales metálicos ferrosos es una de sus aplicaciones más
comunes, por lo que son usados como detectores de posicionamiento, proximidad y
como detectores de metales. La inductancia de las bobinas depende del diámetro
del cable del que están hechas y del número de vueltas de su fabricación. Al
igual que los sensores capacitivos, son sensores que responden muy bien en
sistemas de corriente alterna, siendo la frecuencia de la señal que los
estimula una de las variables a medir para identificar sus cambios.
Esta capacidad de
almacenamiento de energía magnética de las bobinas, es usada para afectar a
otras bobinas. Es así como se forman los transformadores. Los transformadores
diferenciales de variación lineal (LVDT) son los que modifican el campo
magnético entre las bobinas al modificar la posición de su núcleo.
Sensores de luz
Los sensores de luz
modifican las propiedades delos materiales al variar la intensidad de luz que reciben.
Las fotorresistencias y los fotodiodos son muy usados en este tipo de
aplicaciones. Los fotodiodos tienen una mejor respuesta lineal que las
fotorresistencias que, en cambio, ofrecen un alto valor de resistencia en la
oscuridad pudiendo llegar a 2MOhms,y un valor de resistencia de 50 KOhms en
mayor iluminación.
Los fotodiodos son
semiconductores, por lo que basan su principio de operación en el
comportamiento de las uniones P-N. De aquí que se puedan formar los fototransistores,
en los que la luz incide sobre la región de la base, haciéndolo más sensible
que el fotodiodo por el efecto de ganancia propio del transistor.
Sensor de final de carrera (limit switch)
Dentro de los componentes
electrónicos, se encuentra el final de carrera o sensor de contacto (también
conocido como "interruptor de límite") o limit switch, son
dispositivos eléctricos, neumáticos o mecánicos situados al final del recorrido
de un elemento móvil, como por ejemplo una cinta transportadora, con el
objetivo de enviar señales que puedan modificar el estado de un circuito.
Internamente pueden contener interruptores normalmente abiertos (NA o NO en
inglés), cerrados (NC) o conmutadores dependiendo de la operación que cumplan
al ser accionados, de ahí la gran variedad de finales de carrera que existen en
mercado.
Los finales de carrera están
fabricados en diferentes materiales tales como metal, plástico o fibra de
vidrio.
Descripción
Generalmente estos sensores
están compuestos por dos partes: un cuerpo donde se encuentran los contactos y
una cabeza que detecta el movimiento. Su uso es muy diverso, empleándose, en
general, en todas las máquinas que tengan un movimiento rectilíneo de ida y
vuelta o sigan una trayectoria fija, es decir, aquellas que realicen una
carrera o recorrido fijo, como por ejemplo ascensores, montacargas, robots,
etc.
Funcionamiento
Estos sensores tienen dos
tipos de funcionamiento: modo positivo y modo negativo. En el modo positivo el
sensor se activa cuando el elemento a controlar tiene una tara que hace que el
eje se eleve y conecte el objeto móvil con el contacto NC. Cuando el muelle
(resorte de presión) se rompe el sensor se queda desconectado. El modo negativo
es la inversa del modo anterior, cuando el objeto controlado tiene un saliente
que empuje el eje hacia abajo, forzando el resorte de copa y haciendo que se
cierre el circuito. En este modo cuando el muelle falla y se rompe permanece
activado.
Ventajas e Inconvenientes
Entre las ventajas
encontramos la facilidad en la instalación, la robustez del sistema, es
insensible a estados transitorios, trabaja a tensiones altas, debido a la
inexistencia de imanes es inmune a la electricidad estática. Los inconvenientes
de este dispositivo son la velocidad de detección y la posibilidad de rebotes
en el contacto, además depende de la fuerza de actuación.
Encoder
Un codificador rotatorio, también llamado codificador del eje o generador de pulsos, suele ser un dispositivo electromecánico usado para convertir la posición angular de un eje a un código digital, lo que lo convierte en una clase de transductor. Estos dispositivos se utilizan en robótica, en lentes fotográficas de última generación, en dispositivos de entrada de ordenador (tales como el ratón y el TrackBall), y en plataformas de radar rotatorias. Hay dos tipos principales: absoluto e incremental (relativo).
Sensor de efecto Hall
(denominado según Edwin Herbert Hall) se sirve del efecto Hall para la medición de campos magnéticos o corrientes o para la determinación de la posición.
Si fluye corriente por un
sensor Hall y se aproxima a un campo magnético que fluye en dirección vertical
al sensor, entonces el sensor crea un voltaje saliente proporcional al producto
de la fuerza del campo magnético y de la corriente. Si se conoce el valor de la
corriente, entonces se puede calcular la fuerza del campo magnético; si se crea
el campo magnético por medio de corriente que circula por una bobina o un
conductor, entonces se puede medir el valor de la corriente en el conductor o
bobina. Si tanto la fuerza del campo
magnético como la corriente son conocidas, entonces se puede usar el sensor
Hall como detector de metales.
Termopar
En Instrumentación
industrial, los termopares son ampliamente usados como sensores de temperatura.
Son económicos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de
medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación es la exactitud
ya que los errores del sistema inferiores a un grado Celsius son difíciles de
obtener.
El grupo de termopares
conectados en serie recibe el nombre de termopila. Tanto los termopares como
las termopilas son muy usados en aplicaciones de calefacción a gas.
Interruptores
Los interruptores pueden ser
un tipo especial de sensores ya que, aunque no modifican las propiedades
físicas de sus componentes, sirven para detectar diferentes estados de
fenómenos u objetos que se quieran medir.
La construcción de los
interruptores ofrece una gama de posibilidades para detectar movimientos,
posiciones y frecuencias de comportamiento de estos objetos.
Los interruptores mecánicos
o electromecánicos de los relevadores, tienen uno o varios pares de contactos
que transmiten estos estados al circuito al que están conectados. Este
comportamiento permite o no el paso de una señal eléctrica de CC o CA y también
se puede traducir como señales de 1's y O's, esta última condición muy
utilizada en los sistemas con enfoque digital, es decir, sistemas que permiten
dos estados. Los interruptores mecánicos se especifican en función del número
de polos y tiros con que están fabricados.
Los polos son el número de
interruptores que funcionan a la vez en cada posición y los tiros son el número
de contactos por posición.
En aplicaciones
electrónicas, uno de los problemas que se presenta con el uso de interruptores
mecánicos es el rebote físico de sus contactos. Este rebote puede ser
interpretado por la electrónica del circuito en el que está conectado como una señal
diferente, por lo que hay que tomarlo en cuenta y hacer los ajustes necesarios.
Algunas medidas pueden ser el retardo en la lectura de la señal, el uso de
circuitos de memoria adicionales o el uso de circuitos tipo schmitt triggers.
Transductores de presión
Los nombres de los
transductores indican la transformación y medición que hacen. De esta forma,
cualquier dispositivo que convierta el movimiento mecánico generado por fuerzas
asociadas a una presión externa y que se traduzca en una señal eléctrica o
electrónica, se podrá considerar como un transductor de presión.
Estos pueden tener
diferentes encapsulados, según la aplicación para la que están destinados. La
presión se puede definir como la fuerza que se ejerce sobre una unidad de área
conocida y muchas veces se mide en comparación a otra columna de referencia.
Los transductores lo harán midiendo el desplazamiento o deformación de su
membrana o diafragma. La presión también puede ser producto del volumen de un
fluido (líquido o gas).
2.2 Acondicionamiento de Señales
Las señales obtenidas de los
sensores y transductores que se usan en los sistemas de medición, tienen que
ser procesadas y adaptadas para poder pasarlas a la siguiente etapa.
Este proceso de adaptación
es lo que se conoce como acondicionamiento de la señal y como ejemplo de estos
cambios se pueden mencionar los siguientes:
*La señal del sensor o
transductor es demasiada pequeña, por lo que hay que amplificarla para que se
pueda acoplar en la siguiente etapa
*La señal tiene
interferencias no deseadas, lo cual puede ser muy común cuando los
transductores no tienen un buen aislamiento eléctrico
*La señal del transductor es
de tipo analógico y hay que acoplarla a un sistema digital, por lo que habrá
que pasarla por un conversor analógico digital
*La salida del transductor no
tiene la impedancia adecuada para la siguiente etapa, lo que causaría pérdida
de la señal de salida
*La señal del transductor es
un voltaje de DC y hay que cambiarlo a pulsos
*En las primeras etapas de
los sistemas de instrumentación es común que se tengan que acoplar y adaptar
señales de corriente y de voltaje que sean proporcionales
*La señal de salida del
transductor no es lineal, por lo que es necesario hacer una corrección
Este acondicionamiento de
las señales de los transductores puede ser simple o complejo y hay elementos y
configuraciones estándar para su tratamiento.
El transistor
Los transistores son
dispositivos semiconductores que debido a sus características de operación
pueden desarrollar varias funciones principales. Una es de amplificador de
señales, otra es de ser un circuito de conmutación, es decir, un interruptor
(switch) electrónico, de oscilador y también puede ser un rectificador de
señales.
Los transistores están
formados por tres capas semiconductoras que forman dos uniones bipolares y que
pueden tener un orden P-N-P o N-P-N, por lo que en el diseño de circuitos son
considerados como elementos activos, a diferencia de los elementos pasivos
formados por condensadores, resistencias y bobinas.
Amplificadores operacionales
Los amplificadores
operacionales son amplificadores de señal con una configuración general
prediseñada y que se encuentra encapsulada en un circuito integrado. Tres de
las características importantes son:
*Tienen una entrada
diferencial, es decir, una entrada positiva y una negativa
*La salida del amplificador
se define como VOUT= G (V+ - V_),por lo que la ganancia es
g = Vo / Vi
*En forma ideal, la impedancia
de entrada en infinita y la de salida es nula
Esta figura representa el
diagrama eléctrico de los amplificadores operacionales.
Los voltajes Vs son
voltajes de polarización que, generalmente, pueden llegar a los niveles de 15
Volts. El modelo uA741 de la compañía Fairchaild es uno de los más conocidos. Gracias
al diseño de los amplificadores operacionales, estos pueden tener una configuración
de lazo abierto y también de lazo cerrado. Si el voltaje de salida se retroalimenta
como voltaje de entrada negativo, la configuración será de lazo cerrado. Los
amplificadores operacionales pueden tener diferentes configuraciones, lo que
los hace un dispositivo muy atractivo para acondicionar señales.
Filtros analógicos
Algunas señales que
entregan los sensores y transductores contienen señales de interferencia,
producto del ambiente en el que se encuentran. La interferencia de la línea de voltaje o
de señales de radiofrecuencia son algunos ejemplos. Los filtros analógicos
pueden eliminar estas señales parásitas limitando el ancho de banda a través de
generar diferentes segmentos, diferentes túneles que permitan pasar solamente
la señal que se desea transmitir. El
límite entre lo que se pasa y entre lo que se rechaza se conoce con
el nombre de frecuencia de corte.
Los filtros se
clasifican de acuerdo con los segmentos de frecuencia que dejan pasar o que rechazan.
De esta forma la clasificación puede ser de cuatro tipos diferentes:
1. Filtro pasa bajas:
Permite el paso de señales desde una frecuencia O hasta la frecuencia de corte
establecida.
2. Filtro pasa altas:
Permite el paso de señales a partir de la frecuencia de corte establecida
3. Filtro pasa banda:
Permite el paso de señales dentro de un rango superior e inferior de
frecuencias.
4. Filtro supresor de banda:
Permite el paso de señales en todo el espectro excepto en un rango establecido
de frecuencias.
El puente de Wheatstone
Una de sus desventajas es
que la frecuencia se puede modificar por el consumo de energía de los
componentes. Los filtros activos se refieren a los circuitos con elementos
semiconductores como transistores y amplificadores operacionales y no tienen la
desventaja de los filtros pasivos. Las configuraciones de Integrador y Derivador
de los amplificadores operacionales son usadas como filtros. Es un arreglo de
resistencias muy usado para medir los cambios en una de ellas, lo cual produce
un cambio de voltaje en su salida.
Este circuito resistivo puede operar con voltaje
directo en un rango menor a 12 volts. Cuando el puente está en equilibrio, significa
que el voltaje de salida es O, por lo que implica que R1=R2 y R3=R4. Si la resistencia variable
R4 es el elemento sensor que se está usando y cambia su valor, el voltaje de
salida va a cambiar en consecuencia. En ocasiones, estos sensores requieren de
un elemento de compensación para evitar cambios adicionales como podría ser por
factores de temperatura.
Conversores
analógico-digitales
El mundo en que vivimos
genera señales de tipo analógicas. Los sensores y transductores de señales,
siempre van a generar señales analógicas. Para que estas señales puedan ser
incorporadas a sistemas digitales del tipo circuitos electrónicos digitales o
computadoras, es necesario cambiar estas señales analógicas a señales
digitales.
Para manejar esta
conversión, el sistema binario, con dígitos O y 1, es la base teórica para
poder manejarla. Estos dígitos binarios, desde el punto de vista de la electrónica, son
llamados bits. Cuando un número se representa por este sistema, la posición del
dígito en el número binario indica el peso asignado a cada dígito, peso que
tiene un equivalente en un sistema decimal y que aumenta en un factor de 2, representado por la
expresión 2n.
23 22 21 20
8 4 2 1
Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0
Como ejemplo, el número decimal 12 en
un sistema binario tiene la siguiente representación.
23 22 21 20
8 4 2 1
1 1 0 0
La comprobación de 8 + 4
confirma que la conversión fue correcta.
Según el número de
bits, será la capacidad del conversor, ya que a mayor número de bits, la
resolución y el rango de amplitud de la señal a manejar serán mayores. En caso
de usar 4 bits, solamente se podrán distinguir 16 números incluyendo el O.
La
operación de los conversores analógico digital se basa en un circuito de
muestreo de la señal y el módulo de conversión.
En la parte superior
de la figura se ve la señal que se quiere convertir. En la parte central se representa
el circuito de muestreo que tomará una lectura de la señal con una frecuencia
fija. En la parte inferior se ven los valores recolectados por el circuito de muestreo
que simula la señal original, mostrando solamente los valores
muestreados.
Estas muestras se
pasan al conversor analógico-digital y así se obtendrá su equivalente en el
número de bits que tenga el conversor.
La frecuencia de
muestreo de una señal es importante, ya que define la fidelidad con la que se
va a reproducir en forma binaria. El teorema de Nyquist - Shannon, conocido
como el teorema de muestreo, dice que para poder ser reconstruida, la frecuencia de
muestreo debe ser por lo menos del doble de la frecuencia máxima de
la señal original.
La ciencia explica la
realidad a través de teorías, que pueden diferir unas de otras. Estas subsisten
hasta que se demuestre su falsedad. O sea, que es un conocimiento verdadero,
pero no incuestionable, cuando se demuestra su falsedad deja de ser conocimiento
científico. Esto produce el avance de las ciencias, si no pudiera cuestionarse
todavía creeríamos que el centro de nuestro universo es el planeta Tierra. Hay varios métodos de
conversión analógico digital. El método de escalera es muy usado en
dispositivos de bajo precio y consiste en incrementar la cuenta binaria hasta
que ésta coincida con el valor analógico a comparar.
La figura ilustra una
entrada analógica en el eje vertical y una salida digital equivalente en el eje
horizontal.
La longitud de la palabra binaria determina la resolución del
conversor, definiendo el cambio de señal más pequeño que puede
detectar a su salida.
De esta manera un
convertidor analógico-digital de una longitud de palabra de 8 bits, con un
intervalo de señal analógica de 5 volts, el número de niveles en una palabra es
de 28= 256, y por ello la resolución es 5/256 = 19.5 mV.
2.3 Sistemas de Actuación.
Los sistemas de actuadores
son los elementos de los sistemas de control que transforman la salida de un
microprocesador o un sistema de control en una acción de control para una
máquina o dispositivo. Por ejemplo, si es necesario transformar una salida
eléctrica del controlador en un movimiento lineal que realiza el desplazamiento
de una carga. Otro ejemplo sería cuando la salida eléctrica del controlador
anterior requiere transformarse en una acción que controle la cantidad de
líquido que entra y circula en una tubería.
Sistemas Neumáticos E Hidráulicos.
Fuentes de energía
En un sistema hidráulico la presurización del aceite se logra mediante una bomba accionada por un motor eléctrico. La bomba envía aceite al sistema desde un pozo colector a través de una válvula de retención y un acumulador; en la figura 5.1 se ilustra este sistema. La válvula de alivio libera presión cuando ésta rebasa determinado nivel de seguridad; la válvula de seguridad evita que el aceite regrese a la bomba y el acumulador equilibra las fluctuaciones de corta duración en la presión de salida del aceite.
En esencia el acumulador es un recipiente que mantiene el aceite bajo presión, soportando una fuerza externa. En la figura 5.2 se muestra la configuración más común en la que se presuriza usando gas; dentro de una cámara con gas, se encuentra un fluido hidráulico; una versión más antigua utilizaba un pistón accionado por resorte. Si la presión del aceite aumenta la cámara se contrae, aumenta el volumen que puede ocupar el aceite y disminuye la presión. Si disminuye la presión del aceite, la cámara se expande, disminuye el volumen que ocupa el aceite y de esta manera aumenta su presión.
Válvulas para el control de dirección
En los sistemas neumáticos e hidráulicos
se utilizan válvulas de control de dirección para controlar el sentido de flujo
de un fluido que pasa por un sistema, su función no es modificar el gasto de un
fluido, pero son dispositivos abiertos o cerrados por completo, es decir abierto/cerrado
(on/off). Estas válvulas se utilizan con frecuencia en el diseño de sistemas de
control de secuencia y se activan para cambiar la dirección de flujo de un fluido
mediante señales mecánicas, eléctricas o de presión de fluidos.
Un tipo muy común de válvula de control de dirección es Ia válvula de carrete. Dentro del cuerpo de la válvula
se desplaza un carrete en forma horizontal para controlar el flujo. La figura
5.4 muestra una forma de esta válvula. En a) la fuente de alimentación de aire está
conectada al puerto I y el puerto 3 está cerrado. De esta manera es posible
presurizar el dispositivo conectado al puerto 2. Cuando el carrete se desplaza
a la izquierda (figura 5.4b) se interrumpe el suministro de la fuente de
alimentación y el puerto 2 se conecta al puerto 3. Este último es un desfogue a
la atmósfera, por lo que la presión de aire del sistema vinculado al puerto 2
sale por dicho desfogue. Así, el desplazamiento del carrete permite que el aire
fluya primero dentro del sistema, para luego invertirlo y salir del sistema.
Las válvulas giratorias de carrete tienen un carrete giratorio que al girar
abre y cierra los puertos de manera similar a la antes descrita.
Simbologia de actuación de las válvulas
Simbologia de actuación de las válvulas
En la figura 5.11 se muestra el
símbolo de una válvula 4/2. Las conexiones corresponden al estado inicial, es
decir, 1(P) está conectado a 2(A) y 3(R) está cerrado. Al activarse el
solenoide se obtiene el estado que indican los símbolos del cuadrado
correspondiente, es decir, ahora 1(P) está cerrado y 2(A) conectado a 3(R).
Cuando no hay corriente en el solenoide, el resorte obliga a la válvula a
regresar a su posición inicial. El movimiento del resorte produce el estado que
se indica por los símbolos del cuadrado respectivo.
La figura 5.12 muestra un ejemplo
sencillo de una aplicación de las válvulas en un sistema de levantamiento de
peso neumático. Se utilizan dos válvulas de botón 2/2. Cuando el botón de la
válvula se oprime hacia arriba, la carga se levanta. Cuando se oprime hacia abajo,
la carga se baja. Observe que en los sistemas neumáticos un desfogue a la
atmósfera se indica con una flecha.
Válvulas operadas con pilotaje
La fuerza necesaria para accionar la
bola o desplazar la válvula en ocasiones es demasiado grande para hacerlo de
manera manual o mediante un solenoide. Para solucionar ese problema se utiliza
un sistema accionado con pilotaje, el cual usa una válvula para controlar una segunda válvula; la figura 5.13 ilustra
lo anterior. La capacidad de la válvula piloto es pequeña y se acciona en forma
manual o mediante un solenoide. Su función es permitir que la válvula principal
sea operada a través del sistema de presión. La línea de presión piloto se
representa con líneas de trazos. Aunque las válvulas piloto y principal se
pueden accionar con dos válvulas independientes, lo más frecuente es encontrarlas
dentro de Ia misma cubierta.
Válvulas direccionales
La figura 5.14 muestra una válvula direccional
y su respectivo símbolo. El flujo sólo se realiza en la dirección en la que la
bola empuja al resorte. El flujo en la dirección opuesta está bloqueado porque
el resorte empuja la bola y ésta ocupa su asiento.
Válvulas de control de presión
Existen varios tipos de válvulas de
control de presión:
1. Válvulas para regulación de presión:
sirven para controlar la presión de operación en un circuito y mantenerla en un
valor constante.
2. Válvulas limitadoras de presión: Se
usan como dispositivos de seguridad para limitar la presión en un circuito y
mantenerla en un valor inferior al de seguridad. La válvula se abre y desfoga a
la atmósfera, o devuelve el fluido al pozo recolector si la presión es mayor
que un valor de seguridad predeterminado.
3. Válvulas de secuencia de presión: Estas
válvulas se usan para detectar la presión de una línea externa y producir una
señal cuando se alcanza un valor ya determinado.
Cilindros
El cilindro hidráulico o neumático son ejemplos de actuadores lineales. los principios y configuración son los mismos. Tanto para la versión hidráulica como para la neumática las únicas diferencias son el tamaño, debido a las mayores presiones que se utilizan en las versiones hidráulicas. El cilindro consiste en un tubo cilíndrico por el que se desplaza un pintos/embolo.
El término simple acción se utiliza
cuando la presión se aplica sólo en uno de los extremos del pistón; en general
se utiliza un resorte para oponerse al desplazamiento del pistón anterior.
El término doble acción se utiliza
cuando se aplica presión de control a los dos lados de un pistón. La diferencia
de presión entre ambos produce el movimiento del pistón. el cual se desplaza
por el cilindro en alguna de las dos direcciones debido a las señales de alta presión.
Sistemas de Actuación Mecánica
Mecanismos dispositivos que se pueden
considerar convertidores de movimiento, en tanto transforman el movimiento de
una forma a otra. Por ejemplo, con un mecanismo, un movimiento lineal se puede
convertir en un movimiento rotacional; un movimiento que se producen una
dirección en uno con otra dirección en ángulo recto respecto de la primera; un
movimiento lineal alterno en uno rotacional, como en el motor de combustión
interna, donde el movimiento alterno de los pistones se convierte en el del
cigüeñal y este, a su vez, lo transfiere al eje de la transmisión.
Entre los elementos mecánicos están
los mecanismos de barras articuladas, levas, engranes, cremalleras, cadenas,
correas de transmisión. Etcétera. Por ejemplo, el arreglo engrane cremallera
convierte un movimiento rotacional en uno lineal; los engranes con eje paralelo
reducen la velocidad de un eje; los engranes cónicos transmiten movimiento
rotacional en un ángulo de 90°; una correa dentada o una transmisión de cadena transforman
el movimiento rotacional de un eje en el movimiento de otro eje; las levas y
los mecanismos son útiles para obtener movimientos que varíen en la forma que
se desea.
Muchos de los efectos que antes se obtenían
con el uso de mecanismos en la actualidad se logran mediante sistemas de microprocesadores.
Por ejemplo, antes en las lavadoras domésticas se utilizaban levas montadas en
un eje rotacional para lograr una secuencia de acciones sincronizadas: apertura
de una válvula para introducir agua al tambor, interrupción del suministro de
agua, encendido de un calentador, etcétera. En las lavadoras modernas se
utiliza un microprocesador que se programa para que produzca las salidas
deseadas en la secuencia requerida.
Tipos de movimiento
Los movimientos complejos pueden ser
una combinación de movimientos de traslación y de rotación. Por ejemplo, el
movimiento para levantar con la mano un lápiz que está sobre la mesa. Para
ello, debe orientar la mano a determinado ángulo de la mesa, girar la mano,
separar los dedos y ponerlos en la posición adecuada para tomar el lápiz. Esta
es una secuencia de movimientos bastante complejos. Sin embargo, es posible
separarlos en combinaciones de movimientos de traslación y de rotación. Este
tipo de análisis es útil cuando se trata del desplazamiento de una mano no
humana, como las instrucciones que se dan a un robot para que realice una tarea.
En este caso es necesario separar el movimiento en una combinación de movimientos
de traslación y de rotación para diseñar mecanismos que ejecuten cada
componente del movimiento total. Por ejemplo, entre la secuencia de señales de
control que se envían a un mecanismo podrían figurar agrupamientos de señales
con las cuales se instruye a la articulación 1 girar 20° y a la articulación 2
hacer una extensión de 4 mm para un movimiento fe traslación.
Grados de libertad y de restricción
Uno de los problemas más importantes de
diseño es reducir la cantidad de grados de libertad, lo cual requiere un número
y orientación idónea de las restricciones. Si no hay restricciones, un cuerpo puede
tener seis grados de libertad. Se asigna una restricción por cada grado de
libertad que no se desea. Suponiendo que no hay restricciones redundantes, la
cantidad de grados de libertad sería igual a 6 menos el número de restricciones
presentes. Sin embargo, las restricciones redundantes son muy frecuentes, de
modo que para las restricciones de un cuerpo rígido se cumple la siguiente
regla básica:
6 — número de restricciones = número
de grados de libertad
— número de redundancias
Por lo tanto, si se desea que un
cuerpo esté fijo, es decir, que tenga cero grados de libertad, y suponiendo que
no se introducen restricciones redundantes, las restricciones necesarias serán
seis.
Un concepto que se utiliza en diseño
es el principio de la restricción mínima, el cual establece que al fijar un
cuerpo o al guiarlo en determinado tipo de movimiento, debe emplearse la
cantidad mínima de restricciones, es decir, no deben existir redundancias. A lo
anterior con frecuencia se le denomina diseño cinemático.
Levas
Una leva es un cuerpo que gira u oscila
y, al hacerlo, transmite un movimiento alterno u oscilatorio a un segundo
cuerpo conocido como seguidor, con el cual está en contacto (figura 6.10).
Al
girar la leva, el seguidor sube, se detiene y desciende: los lapsos correspondientes
a estos pasos dependerán de la forma de la leva. La sección de elevación de la
leva provoca el ascenso del seguidor y de su perfil dependerá qué tan rápido se
eleve el seguidor de la leva. La sección de descenso de la leva el descenso del
seguidor y de su perfil dependerá qué tan rápido desciende el seguidor de la
leva. La sección de detención de la leva provoca que el seguidor permanezca en
un mismo nivel durante un tiempo considerable. La sección de detención de la
leva es donde esta es circular y su radio no cambia.
La leva necesaria para producir
determinado movimiento del seguidor dependerá de su forma y del tipo de
seguidor que se emplee. La figura 6.11 muestra diagramas del desplazamiento del
seguidor que se pueden producir con diferentes formas de levas y en los que se
usan seguidores de punta o de cuchillo. La distancia radial del eje de rotación
de la leva al punto de contacto de ésta con el seguidor define el
desplazamiento del seguidor en relación con el eje de rotación de la leva. 
La leva excéntrica (figura 6.1 la) es
circular y su centro de rotación está descentrado. Produce una oscilación del
seguidor, con un movimiento armónico simple y con frecuencia se utiliza en
bombas. La leva en forma de corazón (figura 6.1 lb) produce un desplazamiento
en el seguidor que aumenta a velocidad constante con el tiempo, antes de
disminuir a velocidad constante con el tiempo, por lo que la velocidad del
seguidor resulta uniforme. La leva en forma de pera (figura 6.1 le) produce un movimiento
del seguidor estacionario durante casi media revolución de la leva y después
asciende y desciende de manera simétrica en cada una de las cuartas partes de revolución
restantes. Esta leva se emplea para controlar válvulas de motor. La detención
mantiene abierta la válvula mientras la mezcla gasolina/aire entra al cilindro.
Cuanto más larga sea la detención, es decir, cuando mayor sea la longitud de la
superficie de la leva con un radio constante, más tiempo se dará al cilindro para
que se cargue por completo con mezcla flamable.
En la figura 6.12 se muestran ejemplos
de diversos tipos de seguidores de leva. Los seguidores de rodillo son de hecho
cojinetes de bolas o de rodillos. Tienen la ventaja de que su fricción es menor
que la de contacto deslizante, pero son más caros. Los seguidores de cara plana
se usan mucho pues son baratos y se pueden fabricar más pequeños que los
seguidores de rodillo. Con frecuencia se usan en levas de válvulas de motores.
Aunque las levas se pueden usar en seco, lo común es que se lubriquen, inmersas
en un baño de aceite.
Trenes de Engranes
Los trenes de engranes son mecanismos
muy utilizados para transferir y transformar el movimiento rotacional. Se
emplean cuando es necesario obtener un cambio en la velocidad, o el par de
rotación de un dispositivo que está girando. Por ejemplo, la caja de
velocidades de un auto permite al conductor igualar la velocidad y par de rotación
necesarios para determinada superficie con la potencia del motor disponible.
Los engranes transmiten el movimiento
rotacional ejes paralelos (figura 6.14a) y entre ejes inclinados entre sí
(figura 6.14b). El termino engrane cónico se aplica cuando las líneas de los
ejes se intersectan, como se observa en la figura 6. 14b. Cuando dos engranes
están endentados, al mayor se le denomina engrane, y al menor, piñón. Los
engranes que se usan para conectar ejes paralelos tienen dientes rectos, es
decir, los ejes se cortan en líneas axiales paralelas al eje (figura 6.15a). A
este tipo de engrane se le conoce como engrane recto.
Una variante es la que tiene
dientes helicoidales, los cuales se cortan en forma de hélice (figura 6.15b) y
se conocen como engranes helicoidales. Estos ofrecen la ventaja de un engranado
gradual de los dientes y, por lo tanto, la transmisión en los dientes es más
suave y su vida se prolonga más. Es decir, la inclinación de los dientes
respecto del eje produce una componente de fuerza axial en el cojinete del eje.
Para eliminar lo anterior se utiliza una doble hilera de dientes helicoidales (figura
6.15c).
Otra modalidad es el piñón-cremallera el cual consta de dos engranes endentados, uno de los cuales
tiene un circulo base de radio infinito. Estos engranes convierten un
movimiento lineal en uno rotacional, o un movimiento rotacional en uno lineal.
Considere dos engranes conectados, A y
B . Si el engrane A tiene 40 dientes y el B 80 dientes, el engrane
A gira dos veces cuando, en el mismo tiempo, el engrane B gira una vez. Por lo tanto,
la velocidad angular del engrane A, ωA, debe ser el doble de la del engrane B, ωB,
es decir:
Dado que la cantidad de dientes de un
engrane es proporcional a su diámetro, se tiene que:
Por lo tanto, en este caso, el engrane
B debe tener dos veces el diámetro del A. EI término relación de engranaje
designa la relación entre las velocidades angulares de un par de engranes
conectados. En el ejemplo, esta relación es de 2.
Transmisiones por correa
Las transmisiones por correa son en esencia
un par de cilindros giratorios, donde el movimiento de uno de los cilindros se
transfiere al otro mediante una correa. En las transmisiones por correa se aprovecha
la fricción que se crea entre las poleas montadas sobre los ejes y la correa
que rodea el arco de contacto, y de esta manera se transmite un par de
rotación.
Dado que la transferencia se basa en las fuerzas de fricción, existe la
posibilidad de un derrape o deslizamiento. El par de rotación transmitido se
genera por las diferencias de tensión que se producen en la correa durante la
operación. Esta diferencia ocasiona que en la correa haya un lado apretado y
otro flojo. Si la tensión en la parte apretada es igual a T1 y la del lado
flojo, T2, entonces, la polea A de la figura 6.21 es la polea conductora:
Par de rotación en A = (T1
- T2) rA
Donde rA es el radio de la polea A. Para la
polea impulsada B se tiene que:
Par de rotación en B = (T1 –
T2) rB
En donde rB es el radio de
la polea B. Dado que la potencia transmitida es igual al producto del par de rotación
y de la velocidad angular, y puesto que la velocidad angular es igual a v/rA
para la polea A y V/rB para la polea B, donde v es la velocidad de
la correa, entonces en cada polea:
Potencia = (T1 – T2)
v
Tipos de correa
Plana
El área transversal de esta correa es rectangular. la eficiencia de esta transmisión es casi del 98% y produce poco ruido. Es capaz de transmitir la potencia a través de largas distancias entre los centros de las poleas.
Redonda
La sección transversal es circular y se emplea con poleas con ranura.
En V
Las correas de banda en V o correas trapezoidales se utilizan en poleas con ranura. son menos eficientes que las correas planas, aunque muchas de ellas se pueden usar en una sola rueda por lo que es posible obtener una transmisión múltiple.
Correa dentada reguladora de tiempo
En las correas dentadas reguladoras de tiempo se necesitan ruedas dentadas, en las que cada diente encaje en las ranuras de las ruedas.esta correa, a diferencia de otras, no se estira ni se resbala, por lo que trasmite potencia a una velocidad angular constante. los dientes permiten a la correa avanzar a velocidad tanto lenta como rápida.
2.4 Modelado de Sistemas Básicos
Modelos Matemáticos
Considere la siguiente situación: como
un microprocesador se enciende un motor. ¿Cómo variará respecto al tiempo la
rotación dcl eje del motor? La velocidad de éste no alcanza de inmediato el
valor de la velocidad plena, sino después de cierto tiempo. Considere otra
situación: se utiliza un sistema hidráulico para abrir la válvula que controla
la entrada de agua a un tanque para mantener constante determinado nivel del
líquido. ¿Cómo varia el nivel del agua respecto al tiempo? El nivel requerido
no se alcanza de inmediato, sino después de cierto tiempo.
Para estudiar el comportamiento de los
sistemas se utilizan modelos matemáticos, que se representan por ecuaciones, las
cuales describen las relaciones entre la entrada y la salida de un sistema y
que también se aprovechan para predecir el comportamiento de un sistema en
condiciones específicas. Las bases de estos modelos se obtienen de leyes
físicas fundamentales que rigen el comportamiento de un sistema.
Los elementos básicos que se utilizan
para representar sistemas mecánicos son los resortes, amortiguadores y masas.
Los resortes representan la rigidez del sistema; los amortiguadores, las
fuerzas que se oponen al movimiento, es decir, los efectos de fricción o amortiguamiento,
y las masas, la inercia o resistencia a la aceleración. En realidad el sistema
mecánico no tiene que estar hecho de resortes, amortiguadores y masas, sino
poseer las propiedades de rigidez, amortiguamiento e inercia. En estos
elementos unitarios se puede considerar que la entrada es una fuerza, y la
salida un desplazamiento.
La rigidez de un resorte se describe por
la relación entre la fuerza F, que se usa para extender o comprimir dicho
resorte, y la extensión o compresión x resultante (figura 8.1). En un resorte,
donde la extensión o compresión es proporcional a la fuerza aplicada, por
ejemplo un resorte lineal, se describe como:
F=kx
Donde k es una constante. Cuanto mayor
sea el valor de k, mayores serán también las fuerzas necesarias para estirar o
comprimir el resorte y, por lo tanto, mayor su rigidez. El objeto que transmite
la fuerza para estirar al resorte también experimenta la fuerza que causa el
resorte estirado (tercera ley de Newton). Esta fuerza es de igual magnitud,
pero dirección opuesta a la empleada para estirar el resorte, es decir, kx.
El elemento básico amortiguador
representa el tipo de fuerzas que se originan cuando se intenta empujar un
objeto a través de un fluido, o al desplazar un objeto en contra de fuerzas de
fricción. Mientras más rápido se empuje al
objeto, mayor será la magnitud de las fuerzas opositoras. Como diagrama, el
amortiguador se representa por un pistón que se mueve en un cilindro cerrado
(figura 8.2),Para que el pistón se mueva es necesario
que el fluido de uno de los lados del pistón fluya a través, o hacia adelante,
de éste. Este flujo produce una fuerza resistiva. En el caso ideal, la fuerza
de amortiguamiento o resistiva, F, es proporcional a la velocidad, y, con la que
se mueve el pistón, es decir:
F
= cv
Donde c es una constante. Mientras
mayor sea el valor de c, mayor será la fuerza de amortiguamiento para una
determinada velocidad. Dado que la velocidad es igual a la razón de cambio del
desplazamiento x del pistón, entonces, y = dx/dt, y, por lo tanto:
Es decir, la relación entre el
desplazamiento x del pistón, o la salida, y la fuerza, que se considera la
entrada del sistema, es una relación que depende de la razón de cambio de la
salida.
El elemento básico masa (figura 8.3)
tiene la propiedad de que cuanto mayor sea la masa, mayor será la fuerza
necesaria para darle una aceleración especifica. La relación entre la fuerza,
F, y la aceleración, a, es F = ma (segunda ley de Newton), donde la constante de
proporcionalidad entre la fuerza y Ia aceleración es la constante denominada
masa, m. Teniendo en cuenta que la aceleración es igual a la razón de cambio dc
Ia velocidad, es decir, dv/dl y la velocidad, y, es igual a la razón de cambio
del desplazamiento, x, es decir:
v = dx/dt, entonces:
Para estirar el resorte es necesaria cierta
energía, acelerar la masa y desplazar el pistón en el amortiguador. Sin
embargo, en el resorte y la masa existe la posibilidad de recuperar dicha
energía, aunque no así en el amortiguador. Al estirar el resorte, se almacena
energía, la cual se libera al recuperar el resorte su longitud original. La
energía almacenada cuando se produce una extensión a x, es igual a ½ kx2 , dado que F = kx,
y se puede expresar de la siguiente manera:
La masa también almacena energía cuando
se desplaza a una velocidad, v; esta energía se conoce como energía cinética y
se libera al terminar su desplazamiento.
Sin embargo, el amortiguador no almacena
energía. Si no se ejerce una fuerza en su entrada, el amortiguador no regresa a
su posición original. El amortiguador sólo disipa energía, no la almacena; la
potencia disipada, P, depende de la velocidad, y, y se define por la expresión:
P = cv2
2.5 Microprocesadores
Los microprocesadores son circuitos integrados que
desde el año 1969 con la compañía Intel, revolucionaron el diseño electrónico de
dispositivos. El 4004 fue el primer microprocesador que tenía una unidad central
de procesos (CPU) de 4 bits, una memoria ROM para almacenar instrucciones, una
memoria RAM para almacenar programas y aplicaciones de los usuarios y algunos
puertos de entrada y salida. Este microprocesador fue diseñado para
calculadoras de bolsillo.
El cambio en el diseño electrónico radica principalmente
en que los diseños anteriores a los microprocesadores eran específicos para las
funciones que eran diseñados, mientras que los diseños con microprocesadores
permiten utilizar el mismo hardware para diferentes funciones, funciones que
quedan desarrolladas y controladas por la programación del microprocesador.
Este
capítulo describe, principalmente, el uso de los microprocesadores en las
computadoras personales describiendo su arquitectura, sus principales comandos,
su uso dentro de las computadoras personales y las aplicaciones que se pueden
desarrollar como controlador de proyectos mecatrónicos.
En la actualidad contamos con un sinnúmero de
dispositivos electrónicos que simplifican tareas, ofrecen diferentes servicios
y nos proporcionan diversión.
La computadora se puede representar en algunos
bloques funcionales para entender su forma de operación. Por el momento, son
tres los principales bloques:
Primero está el microprocesador que está formado por
la Unidad Aritmética Lógica (ALU) y el módulo de control, representado por los
buses de datos, direcciones y control y por la electrónica que ejerce control
entre las diferentes unidades funcionales. El segundo bloque está representado
por la memoria RAM, memoria en la que, según el modelo de computadora de John
von Neumann, almacena los datos y los programas de aplicaciones del usuario. El
tercer bloque está formado por los puertos de entrada y salida, puertos que
permiten la comunicación del microprocesador con el resto de la electrónica, tanto
de la computadora (teclado, mouse, pantalla, disco duro, etc.) como de los
circuitos externos.
El siguiente diagrama muestra los principales bloques
funcionales de un modelo general de computadora:
Arquitectura de
microprocesadores
En junio de 1978 la
compañía Intel lanzó al mercado el primer microprocesador de 16 bits, al que
llamó 8086. Un año más tarde lanzó el 8088, que internamente era igual que el
8086 pero que tenía un bus externo de datos de 8 bits. En 1981 la compañía IBM
empezó a vender el desarrollo más notable para esta familia de microprocesadores:
la computadora personal IBM.
La arquitectura del
8086/8088 es considerada como la base, inclusive de los microprocesadores que
actualmente se comercializan, por lo que su estudio puede ser una clara
descripción de los microprocesadores.
Desde luego que hay
otras marcas y otras arquitecturas válidas de microprocesadores, pero con base
al volumen de ventas reportadas, será la arquitectura IA-16 la que se considere
en este libro. Las arquitectura IA-32 e IA-64 operan bajo los mismos conceptos,
sólo que el tamaño de la palabra es diferente al igual que el número de
instrucciones disponibles, instrucciones enfocadas a multimedia, comunicaciones
y seguridad.
El 8086 es un
microprocesador de 16 bits, pudiendo dividir su estructura en dos bloques: la
unidad de ejecución y la unidad de interfaz. La unidad de ejecución es la
encargada de realizar todas las operaciones, mientras que la unidad de interfaz
del bus es la encargada de comunicación de datos e instrucciones al mundo exterior.
Esta división tiene
ventajas y ahorros en el diseño de una interfaz de 32, 16 u 8 bits. Se muestra
una representación en la siguiente figura:
Para fines prácticos,
el modelo de microprocesador que nos interesa es aún más simple, ya que sólo
consideraremos los registros lógicos que se van a programar. Este modelo se
basa en cuatro grupos: registros de propósito general, de segmento de datos, de
banderas y el apuntador de instrucciones. En los registros de propósito general
se manipulan los datos, los bytes, según los comandos del programa y se pueden
comparar a las variables que se usan en los lenguajes de alto nivel.
Los registros de
segmentos marcan la dirección en memoria del segmento de datos, el de código y
el de la pila. El segmento de datos se refiere a la localidad en memoria donde
se almacenan los datos que manipula el programa. El segmento de código se
refiere a las localidades en memoria donde se almacenan las instrucciones, los
comandos, del programa. El segmento de pila se refiere a las localidades en
memoria donde se almacenan los datos de la pila a través de las instrucciones PUSH
y POPo
El registro de
banderas lleva un control sobre los resultados de todas las operaciones que se
realizan. Estos resultados, en términos de bits, pueden indicar un valor cero,
un bit de paridad, un cambio de signo, un bit acarreo, etc.
El apuntador de
instrucciones es el contador con la dirección en memoria de la siguiente
instrucción a ejecutar, registro que lleva la unidad de control.
El modelo lógico del
microprocesador es el siguiente:
Los registros de
propósito general se pueden utilizarse como fuente o destino en operaciones
aritméticas y lógicas y también pueden tener algunas funciones determinadas por
el conjunto de instrucciones del microprocesador. A continuación se ofrece una
breve explicación:
AX = Registro acumulador, dividido en AH y AL
(8 bits cada uno). Es un registro sugerido para almacenar el resultado de las
operaciones realizadas. Hay instrucciones como IN y OUT, que son instrucciones
de comunicación a puertos, que trabajan con AX o con uno de sus dos bytes (AH o AL). También se utiliza este registro (junto
con DX a veces) en multiplicaciones y divisiones.
BX = Registro base, dividido
en BH y BL. Es el registro base de propósito para direccionamiento de memoria
en sus diferentes formatos
CX = Registro
contador, dividido en CH y CL. Se utiliza como contador en la instrucción LOOP,
en operaciones con cadenas y en desplazamientos y rotaciones.
DX = Registro de
datos, dividido en DH y DL. Se utiliza junto con el registro AX en multiplicaciones
y divisiones, en la instrucción IN y OUT para direccionamiento indirecto de
puertos (el registro DX indica el número de puerto de entrada/salida).
SP = Apuntador de
pila (no se puede subdividir). Aunque es un registro de uso general, debe utilizarse
sólo como apuntador de pila, la cual sirve para almacenar las direcciones de
retorno de subrutinas y los datos temporarios (mediante las instrucciones PUSH
y POP).
Al
introducir (push) un valor en la pila a este registro se le resta dos, mientras
que al extraer (pop) un valor de la pila este a registro se le suma dos.
BP = Apuntador base
(no se puede subdividir). Generalmente se utiliza para realizar direccionamiento
indirecto dentro de la pila.
SI = Apuntador índice
(no se puede subdividir). Sirve como apuntador fuente para las operaciones con
cadenas. También sirve para realizar direccionamiento indirecto.
DI = Apuntador destino
(no se puede subdividir). Sirve como apuntador destino para las operaciones con
cadenas. También sirve para realizar direccionamiento indirecto. Respecto al
registro de banderas, éste es una serie de indicadores del resultado de las
operaciones. Las más usadas son:
CF (Carry Flag, bit O): Si vale 1, indica que hubo "acarreo" (en caso de suma) hacia, o "préstamo" (en caso de resta) desde el bit de orden más significativo del resultado. Esta bandera es usada por instrucciones que suman o restan números que ocupan varios bytes. Las instrucciones de rotación pueden aislar un bit de la memoria o de un registro poniéndolo en el CF.
PF (Parity Flag, bit 2): Si vale uno, el resultado tiene paridad par, es decir, un número par de bits a 1. Esta bandera se puede utilizar para detectar errores en transmisiones.
AF (Auxiliary carry Flag, bit 4): Si vale 1, indica que hubo "acarreo" o "préstamo" del nibble (cuatro bits) menos significativo al nibble más significativo. Este indicador se usa con las instrucciones de ajuste decimal.
ZF (Zero Flag, bit 6): Si este indicador vale 1, el resultado de la operación es cero.
SF (Sign Flag, bit 7): Refleja el bit más significativo del resultado. Como los números negativos se representan en la notación de complemento a dos, este bit representa el signo: O si es positivo, 1 si es negativo.
TF (Trap Flag, bit 8): Si vale 1, el procesador está en modo paso a paso. En este modo, la CPU automáticamente genera una interrupción interna después de cada instrucción, permitiendo inspeccionar los resultados del programa a medida que se ejecuta instrucción por instrucción.
IF (Interrupt Flag, bit 9): Si vale 1, la CPU reconoce pedidos de interrupción externas enmascarables (por el pin INTR). Si vale O, no se reconocen tales interrupciones. Las interrupciones no enmascarables y las internas siempre se reconocen independientemente del valor de IF.
DF (Direction Flag, bit 10): Si vale 1, las instrucciones con cadenas sufrirán "autodecremento",
esto es, se procesarán las cadenas desde las direcciones más altas de memoria hacia las más bajas. Si vale O,habrá "auto-incremento", lo que quiere decir que las cadenas se procesarán de "izquierda a derecha".
OF (Overflow flag, bit 11): Si vale 1, hubo un desbordamiento en una operación
aritmética con signo, esto es, un dígito significativo se perdió debido a que el
tamaño del resultado es mayor que el tamaño del destino.
Memoria
Existen varios tipos
de unidad de memoria:
1. ROM
Cuando se guardan
datos en forma permanente. se utiliza un dispositivo de memoria conocido como
memoria de sólo lectura (ROM por sus siglas en inglés). Las memorias ROM se
programan con el contenido que se requiere durante la fabricación del circuito
integrado. Mientras el chip de memoria esté en la computadora no es posible
escribirle ningún dato, sólo se permite la lectura, y se utiliza para programas
que no se van a modificar, como el sistema de arranque o “boot” de una
computadora y programas para aplicaciones específicas en las que se utilizan microprocesadores.
Aun cuando se suspenda la alimentación eléctrica, esta memoria no pierde su
contenido.
2.PROM
El término ROM
programable (PROM por sus siglas en ingles refiere a las memorias ROM que puede
programar el usuario. En un principio, las celdas de memoria tienen un fusible
como eslabón que mantiene su memoria en 0. Al hacer pasar una corriente a
través del fusible, éste se abre de manera permanente, y así el valor cambia de
O a I. Una vez que el eslabón ha queda abierto, los datos se guardan en forma
permanente en la memoria y ya no es posible modificarlos.
3. EPROM
El término ROM
borrable y programable (EPROM por sus siglas en inglés) se refiere a las
memorias ROM que es posible programar y modificar. Un chip de EPROM típico
contiene una serie de pequeños Circuitos electrónicos, celdas, donde se almacena
una carga. Para almacenar el programa se aplican voltajes las terminales del
circuito integrado y se produce una configuración de celdas cargadas y no cargadas.
Esta configuración queda guardada de manera permanente en el chip hasta que la
borra un haz de luz ultravioleta que pasa por una ventana de cuarzo ubicada en la
parte superior del dispositivo. Esto provoca la descarga de todas las celdas.
Por lo tanto, es posible volver a programar el chip. La EPROM 2716 de Intel tiene
11 conexiones de dirección y una para activación, la cual se activa cuando
existe un valor bajo.
4. EEPROM
La PROM
eléctricamente borrable (EEPROM por sus siglas en inglés) es similar a las
EPROM, pero para el borrado se utiliza un voltaje relativamente alto, en vez de
la luz ultravioleta.
5. RAM
Los datos temporales,
es decir, aquellos con los que en un momento dado se realizan operaciones, se
guardan en una memoria de lectura/escritura conocida como memoria de acceso aleatorio
(RAM por sus siglas en inglés), es la que se puede leer y escribir.
Las entradas y las salidas están numeradas y la notación utilizada depende del fabricante del PLC; por ejemplo, en la serie F de PLC Mitsubishi antes de un elemento de entrada hay una X y antes de un elemento de salida, una Y; la numeración empleada es la siguiente:
2.6 Controladores Programables
Un controlador lógico
programable (PLC, por sus siglas en inglés) se define corno un dispositivo
electrónico digital que usa una memoria programable para guardar instrucciones
y llevar a cabo funciones lógicas, de configuración de secuencia, de sincronización,
de conteo y aritméticas, para el control de maquinaria y procesos (figura
19.1).
Este tipo de procesadores se
denomina lógico debido a que su programación básicamente tiene que ver con la
ejecución de operaciones lógicas y de conmutación. Los dispositivos de entrada
(por ejemplo, un interruptor) y los dispositivos de salida (por ejemplo, un motor),
que están bajo control, se conectan al PLC; de esta manera el controlador
monitorea las entradas y salidas, de acuerdo con el programa diseñado por el operador
para el PLC y que éste conserva en memoria, y de esta manera se controlan
máquinas o procesos. En un principio, el propósito de estos controladores fue
sustituir la conexión física de relevadores de los sistemas de control lógicos
y de sincronización. Los PLCs tienen la gran ventaja de que permiten modificar
un sistema de control sin tener que volver a alambrar las conexiones de los
dispositivos de entrada y de salida; basta con que el operador digite en un
teclado las instrucciones correspondientes.
Lo anterior permite contar
con un sistema flexible mediante el cual es posible controlar sistemas muy diversos
entre sí, tanto en tipo como en complejidad.
Si bien los PLCs son
similares a las computadoras, tienen características específicas que permiten
su empleo como controladores.
Éstas son:
1. Son robustos y están
diseñados para resistir vibraciones, temperatura, humedad y ruido.
2. La interfaz para las
entradas y las salidas está dentro del controlador.
3. Es muy fácil
programarlos, así como entender el lenguaje de programación. La programación
básicamente consiste en operaciones de lógica y conmutación.
Los primeros PLC fueron
concebidos en 1968. Hoy día su empleo está muy generalizado, habiendo una gran
variedad de ellos, desde pequeñas unidades autónomas que cuentan quizás con
apenas 20 entradas y salidas, hasta sistemas modulares para manejar grandes cantidades
de entradas/salidas, manejar entradas/salidas digitales y analógicas y llevar a cabo modos de control PID.
La figura 19.2 muestra la
estructura interna básica de un PLC que, en esencia consta de una unidad central
de procesamiento (CPU), memoria y circuitos de entrada/salida. La CPU controla
y procesa todas las operaciones dentro del PLC. Cuenta con un temporizador cuya
frecuencia típica es entre 1 y 8 MHz. Esta frecuencia determina la velocidad de
operación del PLC y es la fuente de temporización y sincronización de todos los
elementos del sistema. A través del sistema de bus se lleva información y datos
desde y hacia la CPU, la memoria y las unidades de entrada/salida. Los
elementos de la memoria son: una ROM para guardar en forma permanente la
información del sistema operativo y datos corregidos; una RAM para el programa del
usuario y memoria buffer temporal para los canales de entrada/salida.
El usuario puede modificar
los programas en la RAM. Sin embargo, para evitar que estos programas se
pierdan durante una interrupción del suministro de energía eléctrica, en el PLC
se utiliza una batería, para mantener el contenido de la RAM por determinado tiempo.
Una vez elaborado un programa y guardado en la RAM, éste se puede cargar en un
chip de memoria EPROM y de esta manera queda guardado de manera permanente. Las
especificaciones de PLC pequeños con frecuencia indican la capacidad de la
memoria del programa en función de la cantidad de pasos de programa que en dicha
memoria es posible guardar. Un paso de programa es la instrucción que lleva a
cabo determinado evento. El programa usado para la realización de una tarea
consta de varios pasos; por ejemplo: verificar el estado del interruptor A y del interruptor B; si A y B están cerrados, entonces da energía al solenoide P, lo
que a su vez opera un actuador. Cuando concluye lo anterior, puede iniciar otra
tarea. Por lo general, un PLC pequeño puede manejar de 300 a 1000 pasos, más
que suficiente para la mayoría de las aplicaciones de control.
La unidad de entrada/salida
es la interfaz entre el sistema y el mundo externo. Para introducir programas
en esta unidad se usa un tablero, el cual puede variar de una sencilla
configuración de teclado con pantalla de cristal líquido, o bien llegar a tener
incluso unidades de presentación visual (VDU por sus siglas en inglés) con
teclado y pantalla. También es posible introducir los programas al sistema mediante
un enlace con una computadora personal (PC por sus siglas en inglés), el cual
se carga con un paquete de software apropiado.
Los canales de
entrada/salida proporcionan funciones para el acondicionamiento y aislamiento de
señales, lo que permite conectarlos directamente a sensores y actuadores, sin
necesidad de otros circuitos. La figura 19.3 muestra la configuración básica de
un canal de entrada. Los voltajes comunes para las señales de entrada son 5 V y
24V. Los voltajes comunes para las
señales de salida son 24 V y 240 V. La especificación del tipo de las salidas
generalmente es tipo relevador, tipo transistor o tipo triac. En el tipo
relevador la señal de la salida del PLC se utiliza para operar sin relevador;
así, éste es capaz de conmutar corrientes del orden de unos pocos amperes en un
circuito externo.
Procesamiento de la entrada/salida
La forma básica de
programación más común en los PLC es la programación de escalera. Esta especifica
cada una de las tareas de un programa como si fueran los peldaños de una
escalera. En cada peldaño se especifica, por ejemplo, la revisión de los
interruptores A y B (las entradas); si ambos están cerrados, se proporciona
energía a un solenoide (la salida). En la siguiente sección se analiza con más detalle
la programación en escalera.
La secuencia que sigue un
PLC para realizar un programa se resume de la siguiente manera:
1. Explora las entradas
asociadas a un peldaño del programa de escalera.
2. Solución de la operación
lógica de cada una de las entradas.
3. Encendido/apagado de las
salidas del peldaño.
4. Continúa con el siguiente
peldaño y repite los pasos 1, 2, 3.
5. Continúa con el siguiente
peldaño y repite los pasos 1, 2 y 3.
6. Continúa con el siguiente
peldaño y repite los pasos 1, 2 y 3.
Y así sucesivamente, hasta
finalizar el programa.
Los peldaños del programa
tipo escalera se exploran de acuerdo con la secuencia respectiva.
Existen dos métodos para el
procesamiento de entradas/salidas:
1. Por actualización
continua
En este caso, la CPU explora
los canales de entrada de acuerdo con la secuencia del programa. Cada punto de
entrada se revisa por separado y se determina su efecto en el programa. Existe
un retraso inherente, por lo general de unos 3 ms, cuando se revisa cada una de
las entradas, para garantizar que el microprocesador sólo lea señales de
entrada válidas. Este retraso evita que el microprocesador cometa el error de contar
una señal de entrada dos o más veces, si hay rebotes de contacto en el
interruptor. Antes de que el programa envíe la instrucción para ejecutar una
operación lógica y se produzca una salida, se exploran varias entradas, cada
exploración con un retraso de 3 ms. Las salidas quedan retenidas, de manera que
su estado se mantiene hasta la siguiente actualización.
2. Por copiado masivo de
entradas/salidas
Dado que con la
actualización continua se produce un retraso de 3 ms por cada entrada, el tiempo
total para revisar cientos de puntos de entrada/salida puede resultar muy
prolongado. Para que el programa se ejecute más rápido, un área específica de
la RAM se utiliza como memoria intermedia o buffer, entre la unidad de lógica
de control y la unidad de entrada/salida. Cada entrada/salida tiene una
dirección en esta memoria. Al inicio de cada ciclo de programa, la CPU muestrea
todas las entradas y copia sus estados en las direcciones de entrada/salida de
la RAM. Conforme se ejecuta el programa, se leen los datos de entrada guardados
en la RAM, según se requiera y se ejecutan las operaciones lógicas
correspondientes. Las señales de salida así producidas se guardan en la sección
reservada para entrada/salida en la RAM. Al término de un ciclo de programa,
las salidas se envían de la RAM a los canales de salida. Las salidas quedan retenidas,
de manera que su estatus queda guardado hasta la siguiente actualización.
Programación
La programación de un PLC
mediante diagramas de escalera consiste en la elaboración de un programa de
manera similar a como se dibuja un circuito de contactos eléctricos. El
diagrama de escalera consta de dos líneas verticales que representan las líneas
de alimentación. Los circuitos se disponen como líneas horizontales, es decir,
como si fueran los peldaños de una escalera, sujetos entre las dos líneas
verticales. La figura 19.6 muestra los símbolos estándar básicos que se
utilizan, así corno un ejemplo de peldaños en un diagrama de escalera.
Cuando se dibuja la línea de
circuito de un peldaño, las entradas siempre preceden a las salidas y siempre
debe haber por lo menos una salida por cada línea. Los peldaños deben empezar
con una o varias entradas y terminar con una salida.
Las entradas y las salidas están numeradas y la notación utilizada depende del fabricante del PLC; por ejemplo, en la serie F de PLC Mitsubishi antes de un elemento de entrada hay una X y antes de un elemento de salida, una Y; la numeración empleada es la siguiente:
Entradas
X400-407, 4 10-413
X500-507, 5 10-513
(24 entradas posibles)
Salidas
Y430-437
Y530-537
(16 salidas posibles)
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