Entradas y salidas de un PLC: digitales, analógicas y rápidas

Cómo se relacionan el campo y el programa

El dispositivo de campo genera o recibe una señal eléctrica en un borne. El módulo de E/S adapta esa señal a la electrónica del controlador y la asocia a un canal. El programa trabaja con una dirección o una etiqueta lógica correspondiente a ese canal.

En muchos PLC, las entradas se copian a una imagen de proceso antes de ejecutar el programa y las salidas se actualizan al finalizar el ciclo. Algunas plataformas permiten accesos inmediatos, interrupciones o tareas especiales. Por eso una señal físicamente rápida puede perderse si el filtro, el módulo o el ciclo de ejecución no son adecuados.

Clasificación general

Entradas digitales

Una entrada digital distingue normalmente dos zonas eléctricas: un estado inactivo y otro activo. En automatización industrial es frecuente trabajar con 24 VDC, pero existen módulos para otras tensiones. Debe verificarse el umbral exacto, la corriente de entrada, el tiempo de filtro y la conexión del común.

Fuentes habituales de señal:

El filtro de entrada ayuda a rechazar rebotes o ruido, pero también introduce retardo. Una entrada preparada para un pulsador puede no ser adecuada para contar pulsos rápidos de un encoder.

• Pulsadores y selectores.
• Finales de carrera.
• Sensores inductivos, capacitivos y fotoeléctricos.
• Contactos auxiliares de relés y contactores.
• Presostatos, termostatos y detectores de nivel.
• Salidas digitales de otros equipos.

Sensores PNP y NPN

En circuitos de corriente continua es habitual encontrar sensores de tres hilos con salida PNP o NPN. De forma simplificada, un PNP entrega potencial positivo hacia la entrada cuando se activa; un NPN conmuta hacia el potencial negativo. El módulo de entrada y el esquema de comunes deben ser compatibles con esa forma de conmutación.

Los términos source y sink pueden resultar confusos porque describen el sentido de la corriente desde perspectivas distintas. La práctica segura es comprobar el esquema del sensor y el esquema de cableado del módulo, identificar los potenciales y verificar la corriente real del circuito antes de energizarlo.

Aspectos que deben documentarse:

1. Tensión nominal del sensor y del módulo.
2. Tipo de salida PNP, NPN o contacto seco.
3. Estado normalmente abierto o normalmente cerrado.
4. Polaridad y borne común del grupo de entradas.
5. Corriente residual y caída de tensión.
6. Longitud del cable, apantallamiento y entorno electromagnético.

Salidas digitales de relé

Una salida de relé utiliza un contacto electromecánico. Puede ofrecer aislamiento y conmutar distintas tensiones dentro de sus límites. Es útil cuando la frecuencia de maniobra es baja y se necesita flexibilidad de carga.

Sus limitaciones principales son el desgaste mecánico, la menor velocidad y la reducción de vida útil con cargas inductivas o corrientes de arranque elevadas. La capacidad indicada debe interpretarse según el tipo de carga, no como una corriente universal.

Salidas digitales de transistor

Una salida de transistor es rápida y no tiene contacto mecánico. Es frecuente en 24 VDC y en aplicaciones de conmutación repetitiva. La salida puede estar configurada para distintas polaridades según la familia.

Hay que respetar:

Una salida de PLC no debe gobernar directamente una carga de potencia que exceda sus límites. Motores, resistencias, contactores grandes y solenoides de consumo elevado requieren la interfaz correspondiente.

• Corriente máxima por canal y por grupo.
• Corriente de arranque de la carga.
• Polaridad y alimentación de campo.
• Frecuencia máxima y ciclo de trabajo.
• Protección frente a cortocircuito o sobretemperatura.
• Supresión de sobretensiones en cargas inductivas.

Entradas analógicas

Las entradas analógicas convierten una magnitud eléctrica en un valor numérico. Los rangos más comunes en automatización son 0–10 V y 4–20 mA, aunque existen otros. Para medir temperatura directamente se utilizan módulos compatibles con RTD o termopares.

Parámetros fundamentales:

La resolución indica cuántos niveles puede representar el módulo, pero no equivale a exactitud. La medida completa incluye errores del sensor, transmisor, alimentación, cableado, conversión y escalado del programa.

• Rango y tipo de señal.
• Resolución del convertidor.
• Exactitud y deriva con la temperatura.
• Tiempo de conversión y actualización.
• Aislamiento entre canales y respecto a tierra.
• Rechazo de ruido y filtros configurables.
• Diagnóstico de rotura de hilo o fuera de rango.

4–20 mA frente a 0–10 V

La señal 4–20 mA es robusta para transmisión industrial y permite mantener un valor distinto de cero en el extremo inferior. Esta característica puede ayudar a diferenciar una medida mínima de determinadas averías, siempre que el transmisor y el módulo ofrezcan el diagnóstico apropiado.

La señal 0–10 V es sencilla y habitual en distancias moderadas, pero la caída de tensión, las referencias de masa y el ruido pueden influir más. No debe elegirse un rango solo por costumbre: hay que considerar distancia, ambiente, alimentación del transmisor, precisión y capacidad de diagnóstico.

Salidas analógicas

Las salidas analógicas generan una consigna para un variador, una válvula proporcional, un posicionador u otro equipo. Antes de conectar deben verificarse el rango, la carga admisible, la referencia de potencial y la reacción del receptor si se pierde la señal.

El programa debe definir qué ocurre durante el arranque, la parada, el modo manual, la pérdida de comunicación y una avería del módulo. La consigna eléctrica debe limitarse y escalarse de forma coherente con las unidades de ingeniería.

PT100, PT1000 y termopares

Una RTD como PT100 o PT1000 cambia su resistencia con la temperatura. El módulo debe admitir el tipo de sensor y la conexión de dos, tres o cuatro hilos prevista. La resistencia de los conductores puede introducir error, especialmente en montajes de dos hilos.

Un termopar produce una pequeña tensión relacionada con la diferencia de temperatura. Requiere cable y conectores compatibles, compensación de la unión fría y atención especial al ruido y a las uniones de metales diferentes.

No debe conectarse un sensor de temperatura directamente a una entrada 0–10 V o 4–20 mA salvo que exista un transmisor adecuado entre ambos.

Entradas rápidas, contadores y encoders

Un pulso puede durar menos que el ciclo normal del PLC. Para capturarlo se utilizan entradas rápidas, funciones de captura de pulsos, interrupciones o contadores de alta velocidad. La frecuencia máxima admisible depende de la CPU o del módulo, del modo de conteo y del cableado.

Para un encoder deben documentarse:

• Tipo incremental o absoluto.
• Número de canales y señales complementarias.
• Tensión y tipo de salida eléctrica.
• Frecuencia máxima a la velocidad de trabajo.
• Resolución necesaria y sentido de giro.
• Longitud, apantallamiento, puesta a tierra y terminación.

E/S local y distribuida

La E/S local se instala junto a la CPU. La E/S distribuida se sitúa cerca del proceso y comunica por una red industrial. Distribuir señales puede reducir cableado de campo y facilitar la modularidad de la máquina, pero introduce dependencias de red, alimentación local y configuración.

Hay que definir el comportamiento ante pérdida de comunicación: mantener el último valor, pasar a cero o adoptar un estado seguro según el análisis de la aplicación. Las funciones de seguridad requieren dispositivos, protocolos y validación apropiados.

Ejemplo: depósito con bomba

Un depósito puede incluir dos detectores digitales de nivel, un transmisor 4–20 mA, un selector manual/automático, una orden hacia un contactor y una consigna analógica para un variador.

La lista de E/S debería indicar para cada punto: etiqueta, descripción, tipo eléctrico, rango, unidad, estado normal, borne, cable, protección, reacción ante fallo y destino en el programa. Con esa información puede seleccionarse el hardware y comprobarse el cableado antes de la puesta en marcha.

Diagnóstico durante la puesta en marcha

1. Verificar la tensión y la polaridad sin conectar el canal cuando proceda.
2. Comprobar continuidad, aislamiento y conexión de tierra según el procedimiento aplicable.
3. Confirmar el esquema del sensor y del módulo.
4. Activar una señal cada vez y observar el indicador físico y la variable del programa.
5. Inyectar valores analógicos conocidos con un calibrador adecuado.
6. Verificar escalado, límites, alarmas y reacción ante desconexión.
7. Probar los estados de arranque, parada y pérdida de comunicación.
8. Registrar la configuración final y actualizar planos y lista de E/S.

Errores frecuentes

• Mezclar sensores PNP y NPN sin revisar el común.
• Seleccionar una salida por corriente nominal sin considerar el tipo de carga.
• Utilizar una entrada normal para pulsos demasiado breves.
• Confundir resolución con exactitud de medida.
• Compartir referencias analógicas sin estudiar bucles de tierra.
• No separar adecuadamente cables de potencia, señal y comunicación.
• Conectar PT100 o termopares a módulos incompatibles.
• No definir un estado controlado ante rotura de hilo o pérdida de red.

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