CAPITULO 4.1 SENSORES PARA UN PLC, AL DETALLE

Los sensores los podemos definir como dispositivos electrónicos que convierten una variable física a un correspondiente valor eléctrico, este valor eléctrico puede estar en términos de la corriente, voltaje ó resistencia. Los sensores a su vez pertenecen a los elementos de entrada de datos de un sistema de control automático, por lo que la clasificación de los elementos de entrada queda como sigue:

Clasificación de los elementos de entrada

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Activadores Manuales
Sensores

Los activadores manuales son elementos que se emplean para iniciar las actividades de un proceso de producción, o para detenerlo. Los activadores manuales son botones que pueden poseer contactos normalmente abiertos (N/A) o normalmente cerrados (N/C) o inclusive uno de cada uno. Estos botones pueden ser pulsadores tipo (push buton) o con interruptor que una vez que fueron activados requieren de una llave especial para poder desactivarlos.

Los activadores manuales son elementos de entrada que generan una señal de tipo discreto, esto es se encuentra pulsado (“1 lógico”) o se encuentra en reposo (“0 lógico”).

Figura 4. 3 Ejemplos de activadores manuales.

Los activadores manuales son elementos indispensables que no pueden omitirse de los procesos industriales automatizados, porque siempre hace falta la intervención humana en por ejemplo al accionar por medio de un botón los mecanismos al inicio de la jornada laboral, o detener el proceso cuando algún suceso inesperado ocurra, o simplemente para detener los procesos porque se termino la jornada laboral.

Los siguientes elementos de entrada que describiremos son los denominados sensores, estos dispositivos se clasifican en dos categorías que son:

Clasificación de los sensores

Discretos
Analógicos

Los sensores discretos simplemente nos indican si se encuentran detectando algún objeto ó no, esto es, generan un “1” lógico si detectan o un “0” lógico si no detectan, esta información es originada principalmente por presencia de voltaje o por ausencia de este, aunque en algunos casos la información nos la reportan por medio de un flujo de corriente eléctrica.Los sensores discretos pueden operar tanto con señales de voltajes de corriente directa (VCD) como con señales de voltajes de corriente alterna (VCA).

Los sensores analógicos pueden presentar como resultado un número infinito de valores, mismos que pueden representar las diferentes magnitudes que estén presentes de una variable física, por lo tanto en los sensores analógicos su trabajo se representa mediante rangos, por ejemplo, de 0V a 1.5V y dentro de este rango de posibles valores que puede adquirir la señal del sensor, esta comprendido el rango de medición que le es permitido al sensor de medir una variable física. En los sensores analógicos la señal que entrega puede representarse mediante variaciones de una señal de voltaje o mediante variaciones de un valor resistivo.

SENSORES DISCRETOS

Sensores de presencia o final de carrera.- Estos sensores se basan en el uso de interruptores que pueden abrir o cerrar contactos, dependiendo de la aplicación que se les asigne, por ejemplo, cuando se utilizan como detectores de presencia, se encargan de indicar en que momento es colocado un objeto sobre este, y por medio de la presión que ejerce se presiona su interruptor, lo que permite que se haga llegar una cierta magnitud de voltaje al sistema de control (que en este caso se sugiere que sea un PLC), y obviamente cuando el objeto no se encuentra el voltaje que se reporta será de una magnitud igual a cero.

Cuando estos sensores tienen la tarea de detectar un final de carrera o límite de área, es porque se encuentran trabajando en conjunto con un actuador que produce un desplazamiento mecánico, y por lo tanto cuando esa parte mecánica haya llegado a su límite se debe detener su recorrido, para no dañar alguna parte del proceso automático. Cuando el actuador se encuentra en su límite de desplazamiento permitido, acciona los contactos de un interruptor que bien los puede abrir o cerrar, en las figuras 4.4 y 4.5 se muestran ejemplos de los sensores de presencia y final de carrera respectivamente.

Figura 4. 4 Sensor de Presencia

Figura 4. 5 Sensores de final de carrera.

Sensor Inductivo.- Este tipo de sensor por su naturaleza de operación se dedica a detectar la presencia de metales. El sensor inductivo internamente posee un circuito electrónico que genera un campo magnético, el cual esta calibrado para medir una cierta cantidad de corriente eléctrica sin la presencia de metal alguno en el campo magnético, pero cuando se le acerca un metal, el campo magnético se altera provocando que la corriente que lo genera cambie de valor, lo que a su vez el sensor responde al sistema de control indicándole la presencia del metal. Una aplicación de este sensor es por ejemplo en las bandas transportadoras en donde van viajando una serie de materiales metálicos, como pueden ser latas y en los puntos donde se deben colocar estas latas, se instalan los sensores, y sin necesidad de un contacto físico el sensor reporta cuando una lata se encuentra en su cercanía.

Figura 4. 6 Sensor Inductivo.

Sensor Magnético.- El sensor magnético se encarga de indicar cuando un campo magnético se encuentra presente cerca de el. El sensor magnético posee un circuito interno que responde cuando un campo magnético incide sobre este, este sensor puede ser desde un simple reed switch hasta un circuito más complejo que reporte por medio de un voltaje la presencia o no del campo magnético. La respuesta tiene que ser guiada hacia el sistema de control para su posterior procesamiento. Una aplicación de este tipo de sensores puede encontrarse en aquellos actuadores que pueden desplazarse linealmente, y a estos colocarles imanes en sus extremos, para que cuando lleguen al sensor magnético sea detectado el campo del imán y el actuador se detenga y ya no prosiga con su movimiento.

Figura 4. 7 Sensor Magnético.

Sensor Capacitivo.- Este tipo de sensor tiene la misión de detectar aquellos materiales cuya constante dieléctrica sea mayor que la unidad (1). El sensor capacitivo basa su operación en el campo eléctrico que puede ser almacenado en un capacitor, el cual dependiendo del material dieléctrico la carga almacenada será muy grande o pequeña, teniendo como base la constante dieléctrica del aire que es igual que 1, cualquier otro material que puede ser plástico, vidrio, agua, cartón, etc, tienen una constante dieléctrica mayor que 1.

Pues bien para detectar un material que no sea el aire, el sensor capacitivo tiene que ser ajustado para que sepa que material debe detectar. Un ejemplo para emplear este tipo de sensor es en una línea de producción en donde deben llenarse envases transparentes ya sean de vidrio o plástico, con algún líquido que inclusive puede ser transparente también.

Figura 4. 8 Sensor Capacitivo

Sensor Óptico.- El sensor óptico genera una barrera a base de la emisión de un haz de luz infrarrojo, motivo por el cual este sensor se dedica a la detección de interferencias físicas o incluso a identificar colores y obtener distancias. Este sensor se basa en el uso de un diodo emisor de luz infrarroja, que por naturaleza del ojo humano no la podemos percibir, el diodo emisor envía el haz de luz y por medio de la reflexión, este haz de luz se hace regresar para ser captado por medio de un fotodiodo o fototransistor que es el que entrega una señal como respuesta a si existe el haz de luz infrarroja o no esta presente.

Se la misma manera puede identificar colores, ya que la reflexión sobre una superficie puede ser total o parcial ya que los materiales pueden absorber el haz de luz infrarrojo, dependiendo del olor que tenga su superficie. Y para medir distancias se puede tomar el tiempo que tarda el haz de luz en regresar y por medio de una formula muy simple se puede calcular la distancia ya que v = d/t, en donde el tiempo lo podemos medir, y v es la velocidad a la que viaja la luz, por lo tanto se puede calcular la distancia d. La aplicación de este tipo de sensores puede ser muy amplia, ya que se puede utilizar como una barrera para que detecte el momento en que un operario introduce sus manos en un área peligrosa y pueda sufrir un accidente, o para detectar cuando el haz de luz se corta que un material lo atravesó cuando viajaba por sobre una banda transportadora entre otras aplicaciones.

Figura 4. 9 Sensor Óptico

SENSORES ANALÓGICOS

Sensor de temperatura.- Este es de los sensores más comunes que se emplean dentro de un proceso industrial, ya que por ejemplo en la industria alimenticia ó metalúrgica ó inyección de plásticos, etc. Se requiere de mantener los procesos ya sean de cocción ó fundición por ejemplo en sus niveles de temperatura adecuada, ahora bien, dependiendo del proceso que se esta controlando, de los niveles de temperatura que se tienen que medir, y de la resolución se cuenta con un sensor adecuado a las características que posee el proceso.

En este caso para medir la temperatura se cuenta con una gama amplia de sensores que realizan esta tarea, por lo que procederemos a describir los sensores de temperatura más comunes:

RTD.- Su nombre es el de Resistencias Detectoras de Temperatura (por sus siglas en ingles RTD), también llamadas resistencias metálicas, la característica principal de estos sensores es que poseen coeficiente positivo de temperatura (PTC), lo que significa que al incrementarse la temperatura que se está sensando se produce un aumento en la resistencia de los materiales que conforman al RTD.

La respuesta que presentan estos sensores por lo general es de características lineales, esto es, cuando cambia el valor de la temperatura se refleja con un cambio proporcional del valor de resistencia. El rango de medición de temperatura se encuentra aproximadamente entre -200 °C y 400 °C. Este sensor requiere de un circuito de acoplamiento para hacer llegar su información al sistema de control.

Figura 4. 10 RTD.

Termistores.- Su nombre es el de Resistencia Sensible a la Temperatura (por sus siglas en ingles Termistor), este tipo de sensor poseen tanto coeficiente positivo de temperatura (PTC) como coeficiente negativo de temperatura (NTC), lo que significa que al incrementarse la temperatura que se está sensando se produce un aumento en la resistencia de los materiales que conforman al termistor (PTC), mientras que en los NTC al incrementarse la temperatura se disminuye el valor de resistencia, y al decrementarse el valor de la temperatura se aumenta el valor de la temperatura. La respuesta que presentan estos sensores no es lineal, si no más bien es del tipo exponencial, esto significa que cuando cambia el valor de la temperatura se obtiene un cambio brusco de resistencia, por lo que este tipo de sensores es empleado para registrar cambios finos en la variable de la temperatura. El rango de medición de temperatura se encuentra aproximadamente entre -55 °C y 100 °C. Este sensor requiere de un circuito de acoplamiento para hacer llegar su información al sistema de control.

Figura 4. 11 Termistor.

Termopar.- Este sensor debe su nombre debido al efecto que presenta la unión de 2 metales diferentes, esta unión genera una cierta cantidad de voltaje dependiendo de la temperatura que se encuentre presente en la unión de los 2 metales. La respuesta que presentan estos sensores se encuentra en términos de pequeñas magnitudes de voltaje (entre μV y mV) que tienen correspondencia directa con el valor de la temperatura que se esta midiendo y se puede considerar como una respuesta lineal. La característica principal de los termopares es que estan diseñados para medir altas cantidades de temperatura, que pueden llegar inclusive al punto de fundición de los metales. El rango de medición de temperatura se encuentra aproximadamente entre -200 °C y 2000 °C. Este sensor requiere de un circuito de acoplamiento para hacer llegar su información al sistema de control.

Figura 4. 12 Termopar.

De Circuito Integrado.- Estos sensores se emplean para ambientes que no son tan demandantes en cuanto a su modo de operación, esto es, que por ejemplo no tengan que medir la temperatura de una caldera, expuestos directamente a la flama. Los sensores de circuito integrado internamente poseen un circuito que se basa en la operación de un diodo, que a su vez es sensible a los efectos de la temperatura, estos sensibles nos entregan valores de voltaje que tienen una correspondencia directa con el valor de temperatura que están midiendo. La característica de estos sensores es que son muy exactos, además dependiendo de la matricula y el fabricante, estos ya se encuentran calibrados tanto en °C como en °F ó °K. Estos sensores por lo general no requieren de un circuito de acoplamiento para hacer llegar su información al sistema de control.

Galgas extensiométricas.- Estos sensores se puede decir que se adecuan para medir alguna variable dependiendo de la aplicación, porque su principio de operación se basa en el cambio del valor de resistencia que se produce al deformar la superficie de estos sensores. Claro que no pueden medir todas las variables, pero si las que se relacionan con la fuerza y cuya formula matemática es:

f (fuerza) = m (masa) * a (aceleración)

Por lo tanto dependiendo de cómo se coloque la galga extensiomética se puede emplear para medir: la aceleración de un móvil, velocidad, presión ó fuerza, peso (masa) entre las más características de las variables a medir. Las galgas extensiométricas son resistencias variables que cambian su valor dependiendo de la deformación que este presente sobre estos sensores. Estos dispositivos son muy sensibles a los cambios físicos que existan sobre su superficie, y requieren de un circuito que adecue su respuesta y esta pueda ser enviada al circuito de control, para su posterior procesamiento.

Con toda la variedad de sensores tanto discretos como analógicos que han sido revisados en esta oportunidad, se han cubierto una buena cantidad de variables físicas que se pueden medir y cuantificar, de hecho se encuentran las más comunes, pero aun así falta tomar en cuenta mas variables físicas como pueden ser las químicas (pH, CO₂, etc.) ó también los niveles de humedad ya sea relativa del medio ambiente, ó de la tierra o dentro de algún proceso, y así podemos continuar enumerando variables físicas, pero para cada una de estas existe un sensor que adecuadamente reportara los niveles de su magnitud.

Por otra parte, todos los sensores que se encuentran inmersos dentro de los procesos industriales de una empresa se encuentran normalizados, esto es, que no importa la marca ni el fabricante de estos sensores, ya que todos deben cumplir con las distintas normas que rigen a los sistemas automáticos, y como ejemplo de estas normas se tienen las siguientes:

ANSI (Normas Americanas).

DIN (Normas Europeas).

ISO (Normas Internacionales).

IEEE (Normas eléctricas y electrónicas).

NOM (Normas Mexicanas).

Todas las normas establecen medidas de seguridad, niveles de voltaje, dimensiones físicas de los sensores, etc.

Por último queremos recordar que los sensores son elementos importantes en el proceso de automatización, razón por la cual se deben seleccionar adecuadamente y posteriormente cuando se este diseñando el programa para el PLC que normalmente el que manejamos es el llamado lenguaje en escalera, representemos la actividad de los sensores mediante los símbolos que ya hemos revisado en entregas anteriores, que a manera de recordatorio las enlistamos a continuación.

*.- Accionamiento de entrada momentáneo (para los sensores).

Recapitulando, se puede mencionar que los sensores representan a los ojos del sistema de control automático, mientras que la otra parte importante y es la que manipula al proceso dependiendo de los datos alimentados al sistema de control, se le conoce con el nombre de “actuadores”.