PLC de 5 entradas y 8 salidas con PICAXE

Descripción del PLC

Uno de los objetivos de la utilización de los microcontroladores se basa en el control de procesos industriales. Para ello se requiere de un circuito base, el cual podamos aplicar de forma general para casi todos los procesos que se requieren automatizar, y que obviamente tenga un microcontrolador como eje principal de su operación. La figura anterior muestra el diagrama esquemático del PLC con PICAXE-18 que describiremos a continuación. El PLC  lo podemos construir nosotros mismos a partir de las ventajas que nos ofrecen los microcontroladores del sistema PICAXE, y por lo tanto contamos con la prestación adicional de que podemos construir nuestro PLC del tamaño que querramos o más bien del tamaño de las necesidades que se requieren cubrir en el proceso industrial. De acuerdo a esto último, nuestro PLC lo podemos crear tan pequeño que, inclusive podemos emplear el microcontrolador PICAXE-08.
Lo diseñaremos tomando las bondades que nos ofrece el microcontrolador PICAXE-18A del cual utilizaremos todos los recursos que nos brinda, y que para empezar cuenta con 5 entradas y 8 salidas. El diseño es tan compacto que permite montarlo en una placa de 10 cm x 15 cm.
Nuestro PLC tiene todas las prestaciones que nos entrega un dispositivo electrónico comercial, y para programarlo emplearemos el propio sistema de programación de los microcontroladores PICAXE. 
Las partes que conforman un PLC son: etapa de entrada o ingreso de datos, etapa de activación de actuadores o elementos de potencia (etapa de salida), y el controlador que gestiona la información de la entrada, la procesa y reporta un resultado a la salida. El controlador al que hacemos referencia normalmente es un microcontrolador. Nuestro PLC contará con las 3 partes que de rigor debe tener un PLC, y el lenguaje en escalera será substituido por el programa de los PICAXE, que puede ser a través de flujogramas o lenguaje Basic.
Comencemos con la descripción del circuito que le dará vida a nuestro PLC, y para ello vamos a dividir el circuito eléctrico en 3 etapas (una de entrada y otra de salida) y el microcontrolador propiamente dicho (etapa de control), con una configuración mínima (como lo es la de la etapa programadora- entrenadora).

Etapa de entrada.

Este fragmento del circuito total, es tan imprescindible como las 2 siguientes. En este caso se trata de la parte que se encarga de adquirir la información del entorno que rodea al PLC y enviarla a las terminales de entrada de datos del microcontrolador PICAXE, para realizar esta tarea se requiere de sensores para que éstos adquieran la información. En general los PLC cuentan con la posibilidad de manejar 2 tipos de sensores, ya sean analógicos o discretos. De acuerdo con lo anterior podemos realizarnos la siguiente pregunta:

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

1.- ¿Se requiere conocer si está presente o no, algún producto o material?
2.- ¿Se requiere saber la magnitud de alguna variable física?
De las preguntas anteriores tenemos que la 1 corresponde a sensores discretos, mientras que la pregunta 2 se relaciona con los sensores analógicos.
El esquema del módulo de entrada discreto del PLC PICAXE-18 incluye optoacopladores 4N25 ó 4N33.
Para una mejor comprensión explicaremos lo expresado líneas atrás mediante un ejemplo; supongamos que se tiene que controlar la magnitud de la temperatura en el interior de algún recinto, por lo tanto tenemos que seleccionar los tipos de sensores para implementar el control de la temperatura y que ésta sea estable dentro del recinto.
De un análisis rápido y muy básico llegamos a la conclusión de que por lo menos se requieren 2 tipos de sensores, los cuales se emplearán para realizar una de las siguientes acciones:

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

La primera descripción corresponde a un sensor del tipo analógico, mientras que la segunda descripción hace referencia a un sensor del tipo discreto.
La diferencia principal entre los 2 tipos de sensores radica en el hecho de que el sensor analógico entrega un valor infinito de valores, los cuales dependen de la intensidad de la magnitud física que se está midiendo (luz, temperatura, humedad, etc.), mientras que el sensor discreto tan sólo nos reporta 2 valores, que son un “1 lógico” ó “0 lógico”.
El circuito correspondiente a la etapa de entrada de un PLC tiene que ser adecuada al sensor que se va a emplear, y tomando en cuenta que el microcontrolador que se utilizará es un PICAXE 18A, que nos permite una disposición de 5 terminales que en su totalidad pueden ser para entradas discretas, el diagrama de la figura anterior corresponde a la parte del diagrama que representa la etapa de entrada implementada para sensores discretos.
La entrada discreta tan sólo debe tener la capacidad de reportar si el sensor detecta la presencia o no de algún objeto o fenómeno físico, por ello se requiere que el sensor informe de su estado por medio de un contacto, el cual se hace conectando en los extremos del borne de entrada de que se trate. El contacto está unido en serie con un resistor, y ambos se encuentran energizados por una fuente de alimentación, y cuando el contacto se cierra (esto si el sensor se activa) se genera un “1 lógico”, mientras que si el contacto se abre (si el sensor no se activa) se da origen a un “0 lógico”.
Estos estados lógicos se dirigen a la terminal del ánodo de un led infrarrojo de un dispositivo opto acoplador (4N25 ó 4N33), el cual a su vez en la terminal del emisor refleja el estado en que se encuentra el opto acoplador, mismo que corresponde al estado que guarda el contacto.
Por último, la información del opto acoplador se hace llegar a la terminal de entrada correspondiente del microcontrolador PICAXE. Este circuito se repite 5 veces, una para cada entrada discreta que posee el PICAXE.

Etapa de salida.

Este bloque del circuito total sirve para enviar una señal para que el actuador o elemento de potencia que tiene conectado se energice o se apague, por lo tanto este circuito hace de etapa de aislamiento entre las terminales de salida del microcontrolador PICAXE y los elementos de salida.
El circuito principal que protege al microcontrolador PICAXE es un amplificador operacional, que se encuentra bajo la configuración de seguidor de voltaje, por lo tanto si en la salida del PICAXE se tiene un “0 lógico”, el seguidor de voltaje entregará 0 Volts, mientras que si el PICAXE entrega un “1 lógico” el seguidor de voltaje entregará 5 volt, porque con esa magnitud de voltaje es con la que trabaja el microcontrolador. En el diagrama de la figura 20 se muestra el circuito completo de la etapa de salida.
Para completar la etapa de salida, se utiliza un transistor para activar la bobina de un relevador, que por medio de sus contactos se energiza o no, un elemento de potencia. Cabe aclarar que los contactos del relevador deben tener la capacidad de manejar tanto C.A. como C.D. y una corriente máxima de 10 ampere en 120V de corriente alterna 7 ampere en 220V ó 10A en 24V de corriente continua.

Etapa de control.

Esta parte del PLC, de manera indirecta, la describimos cuando hacemos referencia a un microcontrolador PICAXE, porque el PICAXE de forma exclusiva es la pieza que integra a la etapa de control, porque la información que se adquiere de los sensores se tiene que dirigir a las terminales de entrada del PICAXE, para que éste en función del programa que tenga grabado en su memoria, reporte un resultado y lo envie a los circuitos pertenecientes a la etapa de salida y así poder manipular a un elemento actuador. El microcontrolador PICAXE de nuestro PLC contará con todas las ventajas que nos ofrece el software de programación, el cual describimos a continuación.
Para cualquier PLC, el software que normalmente se emplea para programarlo es el llamado “lenguaje en escalera” o diagrama de contactos, en el cual las instrucciones se implementan mediante símbolos.
Ya hemos descrito, que en particular para el PLC que estamos diseñando, por el momento no se contará con un lenguaje en escalera, pero vamos a solventar esta desventaja con la realización del armado de bloques con instrucciones propias de los microcontroladores PICAXE, para que de esta manera podamos contar con una equivalencia en cuanto a la serie de símbolos que nos puede proporcionar un PLC.
Existe una serie de símbolos del lenguaje en escalera que tienen un reflejo hacia la actividad exterior del PLC, y de esta manera se tienen contactos normalmente abiertos (N.A.) y normalmente cerrados (N.C), los cuales leen la información de las terminales de entrada de datos y envían la información al PLC. También existen los símbolos que por medio de los cuales se le indica al PLC que tiene que enviar un mando de control para activar o desactivar algún actuador o elemento de potencia. Entonces, para programar un PLC lo único que tenemos que hacer es emplear los símbolos adecuados para tener un sistema de control automático.
Como ejemplo de los flujograms utilizados veamos el de la siguiente figura: