T 3 señales analogicas

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL. 
Centro de Estudios Científicos y Tecnológicos 
(CECyT) No. 3 
“Estanislao Ramírez Ruíz”. 
 
Materia: Controladores Lógicos Programables. 
Profesora: Luis Cabrera Hernández. 
 
Tarea 3.1. 
 
Integrantes del equipo: 
 Enciso Solano Jared. 
 González González Alejandro. 
 Héctor Francisco Herrera Rangel. 
 Rosales Vargas Ricardo Nacxit. 
 Sánchez López Arancy Abigail. 
 Soto Barrera Israel. 
 
Grupo: 6IM2. 
 
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Señales analógicas normalizadas. 
La mayor parte de las señales que son utilizadas en la industria son las señales 
digitales dado que esta es más fácil de manejar y de utilizar, porque solo cuenta 
con dos posibles resultados ya sea “uno” o “cero”, pero en algunas industrias (como 
la petrolera) donde es necesario medir otro tipo de parámetros los cuales no se 
pueden expresar con ceros y unos (como lo es la presión, temperatura, etc.) por lo 
que se usaran las señales analógicas normalizadas, las cuales representan un 
cierta cantidad que está en un rango determinado, para esto contamos con dos 
señales principales: 
 Señal 4-20mA: Esta es la señal más dominante dentro de la industria dado que 
sin importar la distancia esta no se va a desgastar como lo hace el voltaje, donde 
el 0% de la señal va a ser representado por 4mA y el 100% de la señal será 
representada por 20mA. 
 Señal 0-10 V: Esta es la señal más sencilla, dado que los 0 V van a representar 
el nivel más bajo de la señal, mientras que los 10 V van a representar el nivel 
más alto, algunos de los datos a tener en cuenta es que la distancias y los tipos 
de conductores van a afectar el nivel de la señal. 
Ventajas y desventajas de señales analógicas normalizadas. 
Ventajas: 
 Podemos detectar la rotura del cable cuando estamos por debajo de 4 mA. Los 
valores por debajo de 4 y por encima de 20 mA los podemos utilizar para la 
detección de fallos en la señal. 
 Los transmisores de campo de 2 hilos, que suelen ser la mayoría, no necesitan 
ser alimentados pues lo hacen a través del propio lazo de 4-20 mA. Esta es una 
de las grandes ventajas sobre todo en instalaciones con muchos instrumentos. 
Si el punto cero fuera de 0 mA no podríamos alimentar al transmisor cuando 
estuviéramos por debajo de unos 3,6 mA. 
 El rango 4 – 20 tiene una ratio 1:5 que es el mismo que el rango 3-15 psi muy 
común en neumática. Esto hace los cálculos más sencillos. 
 El rango 4 – 20 mA puede transmitir los datos digitales HART a través de los 
mismos cables sin que haya ninguna interferencia entre ambas. 
 El rango 4 – 20 mA puede utilizarse para señales de seguridad intrínseca en 
áreas clasificadas pues permite el chequeo de la línea. 
 Una señal de corriente es, en general, más inmune a los ruidos eléctricos que 
cualquier señal de tensión (0 – 10 VDC, 1 – 5 VDC) y además puede trabajar en 
distancias largas (más de 1 km si la alimentación nominal es de 24 VDC; 
podemos siempre subir un poco el nominal si tenemos distancias mayores). 
 
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 En largas distancias y con cajas de interconexión intermedias hay caídas de 
tensión que hacen imposible y poco recomendable trabajar con rangos de 
tensión. 
 Detectar fallos o comprobar el lazo 4 – 20 mA es sencillo utilizando un polímetro 
normal. Además, no hay riesgo personal si tocamos el cable pues la tensión es 
de 24 VDC y el umbral de corriente peligrosa para el corazón está en 30 mA. 
 Si necesitamos convertir la señal a un rango de tensión, por ejemplo, en el 
armario de control, para llevarla en paralelo a varios dispositivos lo podemos 
realizar muy fácilmente con una resistencia de 250Ω (de al menos un 1% de 
precisión). La señal la convertimos así al rango 1 – 5 VDC. 
 El procesamiento de las señales analógicas es relativamente más simple que las 
señales digitales, los circuitos eléctricos involucrados en la interpretación de la 
señal son más simples y por lo tanto de menor valor monetario. 
 La transmisión de la señal es levemente más simple, aunque la eficacia 
dependerá del alcance de la señal en el medio. 
Desventajas: 
 La principal desventaja es la eficacia y las posibles interferencias que se puedan 
generar en la emisión y recepción de la señal. 
 Cables adicionales, se requieren terminaciones y cajas de conexión que suben 
los gastos de capital e incrementan el tiempo de diseño e instalación del proyecto. 
 Cada dispositivo análogo brinda una variable, por ejemplo, un monitor de CO sólo 
proveerá una señal de CO. Funciones de diagnóstico, estado actual o 
información adicional multi variable no se encuentran disponibles por medio de 
conexión análoga. 
 Los dispositivos análogos requieren una interfaz de PLC o DCS en cada nivel de 
la mina lo cual incrementa gastos de capital, tiempo de integración, software y 
complejidad. 
Lazo de corriente. 
Circuito de corriente continua que envía señales de un sensor a un dispositivo 
receptor a través de dos hilos conductores. 
El lazo de corriente es ampliamente empleado en procesos industriales de control. 
La principal ventaja, es que la señal no se ve a afectada por la caída de tensión 
que se produce en la línea, lo que permite controlar actuadores u obtener medidas 
de sensores colocados a grandes distancias (1000m e incluso más). 
En la industria nos encontramos con sensores y dispositivos, vinculados a 
aplicaciones de control de procesos, que comparten un mismo estándar desde 
 
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hace muchos años: nos suministran sus mediciones mediante un lazo de corriente 
de 4 a 20 mA. 
Ganó terreno rápidamente gracias a su mayor precisión, bajo consumo y potencial 
algorítmico para controles complejos (PID). Y no solo esto, soportó dos 
revoluciones más de la tecnología industrial, convirtiéndose en un estándar que 
pareciera no tener fecha de caducidad. 
Lazo de corriente para sensores y actuadores. 
1. Sensor: En primer lugar, debe haber algún tipo de sensor que mide una variable 
de proceso. Un sensor típicamente mide temperatura, humedad, flujo, nivel o 
presión. La mayoría de los sensores van conectados al sistema de control o a un 
adaptador de señal, pero se pueden dar casos de sensores que se incorporan a la 
red de control ya que ya llevan internamente la electrónica para integrarse en la red 
de control. La mayoría de los sensores se conectan mediante cableado, pero 
existen muchos que incorporan ya electrónica para comunicaciones inalámbricas o 
mediante sistemas específicos (fibra, red, etc.). 
2. Transmisor: Debe haber una forma de convertir su medición a una señal de 
corriente, un transmisor de lazo mide una variable del proceso y regula la corriente 
de lazo entre 0,004 y 0,02 A, (4 mA...20 mA), La salida de corriente del transmisor 
es proporcional al parámetro siendo medido. 4 mA representa la medida del 0%, 
20 mA representa una medida del 100%, mediante la modificación de la oposición 
al flujo de corriente del lazo. Los transmisores de lazo pueden medir casi cualquier 
variable del proceso; por ejemplo, la temperatura, la presión, el nivel o el flujo. La 
corriente es común en un circuito en serie, por lo que la corriente de lazo regulada 
por el transmisor y la corriente medida por el controlador son idénticas. 
3. Fuente de Alimentación: Para que se produzca una señal, debe haber una fuente 
de energía. La fuente de alimentación debe generar una corriente continua (lo que 
significa que la corriente solo fluye en una dirección). Hay muchos voltajes comunes 
que se utilizan con los lazos decorriente de 4-20 mA (9, 12, 24, etc.) dependiendo 
de la configuración particular. 
4. Lazo: Esto se refiere particularmente al alambre que conecta el sensor al equipo 
que recibe la señal de 4-20 mA y luego regresa al transmisor. El alambre suele ser 
pasado por alto en la configuración del lazo porque es un elemento tan intrínseco 
en cualquier sistema electrónico moderno, pero debe ser considerado en nuestro 
estudio de los fundamentos. Aunque el alambre en sí es una fuente de resistencia 
que causa una caída de voltaje en el sistema, normalmente no es significante, ya 
que la caída de voltaje de una sección del alambre es minúscula. Sin embargo, a 
largas distancias (más de 1,000 pies) puede alcanzar una cantidad significativa, 
dependiendo del grosor (calibre) del alambre. 
5. Receptor: Finalmente, en algún lugar del lazo habrá un equipo que puede recibir 
e interpretar la señal de corriente. Esta señal de corriente debe ser traducida a 
 
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unidades entendidas fácilmente por los operadores. Este equipo también debe 
mostrar la información recibida (para fines de monitoreo) o hacer algo 
automáticamente con esa información. Las pantallas digitales, los controladores, 
los actuadores y las válvulas son equipos comunes que se incorporan a un lazo. 
Estos componentes son todo lo que es necesario para completar un lazo de 
corriente de 4-20 mA. El sensor mide una variable de proceso, el transmisor 
convierte esa medida en una señal de corriente, la señal viaja a través de un lazo 
de alambre a un receptor, y el receptor muestra o ejecuta una acción con esa señal. 
Corriente activa frente a pasiva: Los dispositivos de un lazo de corriente son activos 
o pasivos. "Activo" en este contexto significa que un dispositivo tiene una fuente de 
tensión que alimenta el lazo. Solo puede haber un dispositivo activo en un lazo de 
corriente. Los dispositivos “pasivos" son exactamente lo contrario: no tienen su 
propia fuente de tensión y, por lo tanto, dependen de una fuente externa. 
Normalmente, el receptor convierte la corriente en su equivalente a tensión para a 
continuación digitalizar la señal. Para esta tarea, el receptor emplea en la mayoría 
de los casos una resistencia de precisión. La línea de transmisión también supone 
una resistencia en serie. Estas resistencias producirán una caída de tensión 
proporcional a la corriente. 
En el transmisor también se produce una caída de tensión, para generar la corriente 
necesaria para el lazo. Por ello, la tensión que proporciona la fuente de 
alimentación VCC limita la longitud de la línea de transmisión. 
La resistencia de precisión de los receptores depende del dispositivo, pero es 
común emplear resistencias de 250 Ohmios, que permiten convertir la señal 
4/20mA en el rango 1/5V. 
La caída de tensión mínima que se debe garantizar en el transmisor también es un 
parámetro muy amplio, que puede variar desde los 5 a los 15V. Teniendo en cuenta 
la resistencia de diversos cables, podemos obtener las longitudes máximas de 
transmisión en función del valor de la fuente de alimentación. 
Modos de funcionamiento. 
Existen tres modos de funcionamiento: 
1. Dos hilos: 
Mediante dos líneas, se provee energía y se extrae la corriente proporcional a la 
variable censada. Se considera al receptor como flotante, ya que la fuente de 
alimentación se encuentra en el receptor. El uso de 2 hilos facilita la instalación, 
pero demanda una electrónica más compleja en el transmisor. 
 
 
 
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2. Tres hilos: 
Mediante una línea se alimenta al transmisor, otro hilo corresponde al lazo de 
corriente y el tercer hilo es común entre el transmisor, la fuente y el receptor. En 
este modo se obtiene una electrónica más simple en el transmisor. 
3. Cuatro hilos: 
Este transmisor es el resultado de la combinación de los dos anteriores. Mediante 
dos líneas se provee de la señal de salida 4/20mA y se usan dos líneas adicionales 
para la alimentación. El receptor se considera como una carga flotante. 
Ventajas: 
 Estándar industrial hace más de 50 años, gran variedad de equipos en el 
mercado. 
 El rango 4 – 20 mA tiene una ratio 1:5 equivalente al rango 3-15 PSI, utilizado en 
neumática. 
 Considerando la 1° ley de Kirchhoff, la corriente medida en cualquier punto del 
lazo siempre es la misma. Por lo tanto, un lazo 4-20 mA tendrá mayor precisión 
que cualquier señal de tensión. 
 Es más estable en largas distancias y más inmune a los ruidos eléctricos, 
interferencias electromagnéticas o de radio frecuencia. 
 Considerando al valor 4 mA como 0% de la señal, es muy fácil detectar fallas en 
el cableado o circuito abierto. 
 Los sensores pasivos de 2 hilos se alimentan a través de la energía otorgada por 
el equipo receptor, mejorando el costo de instalación. 
 Puede transmitir los datos digitales HART a través de los mismos cables sin 
interferencias entre ambas señales. 
 Puede utilizarse para señales de seguridad intrínseca en áreas clasificadas. 
 Fácil medición de fallas con un multímetro (valores menores a 3.8 mA o mayores 
a 20,5 mA). 
 El valor de intensidad 20 mA está por debajo del umbral de 30 mA de riesgo 
eléctrico para la salud. 
Señales analógicas 4 – 20 mA, cualidades: 
 Simple, intuitiva 
 Compatibilidad prácticamente total entre equipos y con sistemas SCD y PLC. 
 Amplio desarrollo en todos los fabricantes. 
 Pueden usar el concepto de S.I. 
 Apta para largas distancias. 
Señales analógicas 4 – 20 mA, limitaciones: 
 Se degrada con muy largas distancias. 
 Solo transmite un valor (el de la variable de proceso). 
 
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Conclusiones individuales. 
Conclusión Soto Barrera Israel: 
Con el pasar de los años la mayor parte de las señales analógicas han pasado a 
ser obsoletas, pero para ciertas funciones en específico el tener señales analógicas 
es indispensable, dado que existen parámetros que no se pueden representar con 
señales digitales porque el dato a representar puede tener varios valores en un 
rango determinado, así que en este caso se usan señales analógicas normalizadas 
que van a representar valores por señales de voltaje o intensidad (que son las más 
normales). 
Conclusión Enciso Solano Jared. 
Como conclusión podemos entender que el lazo de corriente de 4-20 mA es la señal 
de control de procesos predominante en muchas industrias. Es un método ideal 
para transmitir información de procesos porque la corriente no cambia a medida que 
viaja del transmisor hasta el receptor, es mucho más sencillo y rentable. Sin 
embargo, las caídas de voltaje y la cantidad de variables de proceso que deben ser 
monitoreadas pueden afectar su costo y complejidad. 
En el punto de la conversión analógico-digital existen muchos tipos de conversores 
con distintas prestaciones. Habitualmente las entradas analógicas en los PLC los 
llevan incorporados. Controlar y conocer este tipo de conversores puede suponer 
una mejora en el rendimiento o un abaratamiento en los costes. 
Conclusión González González Alejandro. 
Con esta tarea, al realizar la investigación, análisis y comprensión del 
funcionamiento y de los diferentes sensores y el tipo de señal con la que trabajan, 
ya sea de corriente o de voltaje. 
Respecto a la comparación de una y otra quedó más que claro que a nivel industrial 
el tipo de señal utilizado en su mayoría es la corriente por las prestaciones que 
ofrece y por ende es el tipo de señal en el que se debe trabajar por mejorar y 
comprender en su mayoría a lo largo del curso. 
Conclusión Sánchez López Arancy Abigail. 
El sistema de lazo en la industria es el método más utilizado en la industriasiendo 
el más correcto para transmitir la información de procesos para que la corriente no 
cambie a través del trayecto, habiendo así variaciones de tensión y caídas que 
deben de ser monitoreadas es decir de transmisor a receptor. 
 
 
 
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Conclusión Herrera Rangel Héctor Francisco. 
Dentro del desarrollo de esta tarea pude notar que en la industria no siempre se 
puede trabajar con señales lógicas de unos y ceros, por lo que se es necesario el 
acoplamiento de las dichas señales que notamos son dos principales de corriente y 
de voltaje, por ello es que también existe el lazo de corriente para sensores y/o 
actuadores, esto como un proceso para acoplar mejor dicho tipo de señal. 
Obviamente la inclusión de ambos tipos de señal (lógica y analógica) a un 
procedimiento industrial llega a ser muy benéfico y a su vez representar una mayor 
cantidad de posibles funciones. 
Conclusión Rosales Vargas Ricardo Nacxit. 
Se puede concluir con la práctica que los sensores envían datos analógicos en 
ocasiones con cierta resolución de -32768 a 32767, en industria normalmente es 
utilizado el lazo de 4-20 mA, estas señales son módulos que se añaden al PLC, 
entonces tenemos un transmisor y por lo tanto, un receptor, la señal analógica 
puede controlar convirtiendo en señal digital, dependiendo la de la conversión dada, 
e igual en la industria es común usar de lazo 4 a 20 mA ya que permite mantener 
durante el trayecto la corriente donde puede haber problemas y debe haber 
manipulación o control en la tensión para evitar variaciones o caídas de tensión.