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Caso práctico: Monitoreo de fallas en línea de producción

Prototipo de Monitoreo de fallas en línea de producción (Maker Style)

Nivel: Medio. Implementar un sistema de seguridad que detenga una cinta transportadora si el sensor de temperatura O el sensor de atasco detectan una anomalía.

Objetivo y caso de uso

Construirás un circuito de control lógico utilizando una puerta OR para combinar señales de dos sensores de seguridad distintos (Temperatura y Atasco Óptico). Cuando cualquiera de los sensores detecte una falla (Lógica Alta), el sistema emitirá una señal activa para activar un indicador o un mecanismo de parada.

Por qué es útil:
* Seguridad industrial: Evita que la maquinaria opere bajo condiciones peligrosas.
* Protección de equipos: Detiene los motores inmediatamente si se sobrecalientan para prevenir daños permanentes.
* Eficiencia del proceso: Detecta atascos físicos en las cintas transportadoras automáticamente, reduciendo el desperdicio.
* Redundancia: Permite que múltiples tipos de errores diferentes activen la misma rutina de parada de emergencia.

Resultado esperado:
* Sistema en espera: Cuando ambos sensores están en Bajo (0 V), el LED de salida está APAGADO.
* Falla de temperatura: Si el sensor de temperatura se activa (Alto/5 V), el LED se ENCIENDE.
* Falla de atasco: Si el sensor de atasco se activa (Alto/5 V), el LED se ENCIENDE.
* Falla crítica: Si ambos sensores se activan simultáneamente, el LED permanece ENCENDIDO.

Público objetivo y nivel: Estudiantes de electrónica y aficionados, Nivel Medio.

Materiales

  • V1: Fuente de alimentación de 5 V CC, función: Alimentación del circuito principal.
  • U1: 74HC32, función: CI de cuádruple puerta OR de 2 entradas.
  • S1: Interruptor de palanca SPST, función: Simula el Sensor de Temperatura (Abierto=Normal, Cerrado=Sobrecalentamiento).
  • S2: Interruptor de palanca SPST, función: Simula el Sensor de Atasco (Abierto=Despejado, Cerrado=Atasco).
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: Pull-down para la Entrada de Temperatura.
  • R2: Resistencia de 10 kΩ, función: Pull-down para la Entrada de Atasco.
  • R3: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente para el indicador LED.
  • D1: LED rojo, función: Indicador visual de falla.

Pin-out del CI utilizado

Chip seleccionado: 74HC32 (Cuádruple puerta OR de 2 entradas)

PinNombreFunción lógicaConexión en este caso
11AEntrada AConectado al Sensor de Temperatura (S1)
21BEntrada BConectado al Sensor de Atasco (S2)
31YSalidaConectado al controlador del LED (R3 + D1)
7GNDTierraConectado al Negativo de la Fuente de Alimentación (0 V)
14VCCAlimentación (+)Conectado al Positivo de la Fuente de Alimentación (5 V)

Guía de conexionado

  • VCC: Conectar el terminal positivo de V1 al pin 14 de U1.
  • 0 (GND): Conectar el terminal negativo de V1 al pin 7 de U1.
  • VA (Señal Temp): Conectar el terminal 2 de S1 al pin 1 de U1.
  • VA (Señal Temp): Conectar R1 entre el pin 1 de U1 y 0.
  • VCC: Conectar el terminal 1 de S1 a VCC.
  • VB (Señal Atasco): Conectar el terminal 2 de S2 al pin 2 de U1.
  • VB (Señal Atasco): Conectar R2 entre el pin 2 de U1 y 0.
  • VCC: Conectar el terminal 1 de S2 a VCC.
  • V_OUT: Conectar el pin 3 de U1 al terminal 1 de R3.
  • LED_NODE: Conectar el terminal 2 de R3 al Ánodo de D1.
  • 0 (GND): Conectar el Cátodo de D1 a 0.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC32 OR gate

Esquemático

Title: Production Line Fault Monitoring (OR Logic)

      [ INPUT SENSORS ]                       [ LOGIC PROCESSING ]                 [ VISUAL OUTPUT ]

                                                 (Pin 14: VCC)
                                                       |
                                                       v
[ VCC ] --> [ S1: Temp Switch ] --+--(Pin 1)-->+---------------+
                                  |            |               |
                             [ R1: 10k ]       |   U1: 74HC32  |
                                  |            |   (OR Gate)   |--(Pin 3)--> [ R3: 330 ] --> [ D1: LED ] --> [ GND ]
                               [ GND ]         |               |
                                               |               |
[ VCC ] --> [ S2: Jam Switch  ] --+--(Pin 2)-->+---------------+
                                  |                    ^
                             [ R2: 10k ]               |
                                  |               (Pin 7: GND)
                               [ GND ]
Esquema Eléctrico

Tabla de verdad

Este circuito utiliza lógica positiva (Activo en Alto).

Sensor A (Temp)Sensor B (Atasco)Salida (Indicador de falla)Estado del LED
Bajo (0)Bajo (0)Bajo (0)APAGADO
Bajo (0)Alto (1)Alto (1)ENCENDIDO
Alto (1)Bajo (0)Alto (1)ENCENDIDO
Alto (1)Alto (1)Alto (1)ENCENDIDO

Mediciones y pruebas

  1. Verificación en espera: Asegúrese de que ambos interruptores S1 y S2 estén abiertos. Mida el voltaje en el Pin 3 de U1 con respecto a GND. Debería ser ~0 V. El LED debería estar APAGADO.
  2. Simulación de falla de temperatura: Cierre S1 mientras mantiene S2 abierto. Mida el voltaje en el Pin 1 (Entrada A). Debería ser 5 V. La Salida en el Pin 3 debería pasar a Alto (~5 V) y el LED debe encenderse.
  3. Simulación de falla de atasco: Abra S1 y cierre S2. Mida el voltaje en el Pin 2 (Entrada B). Debería ser 5 V. El LED debe encenderse.
  4. Falla simultánea: Cierre tanto S1 como S2. El LED debe permanecer ENCENDIDO.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: Production Line Fault Monitoring

* --- Component Models ---
* Generic Red LED Model
.model DLED D (IS=1e-14 N=2 RS=10 BV=5 IBV=10u CJO=10p)

* --- Subcircuits ---
* 74HC32 Quad 2-input OR Gate
* Pinout: 1=InputA, 2=InputB, 3=Output, 7=GND, 14=VCC
* Implemented using a robust behavioral source with continuous functions
.subckt 74HC32 1 2 3 7 14
* Logic: Output = VCC if (A > 2.5V OR B > 2.5V)
* Using sigmoid function for smooth convergence: S(x) = 1/(1+exp(-k*(x-thresh)))
* max(V(1), V(2)) selects the higher voltage to compare against threshold (2.5V)
B_OR 3 7 V = V(14) * (1 / (1 + exp(-20 * (max(V(1), V(2)) - 2.5))))
.ends

* --- Main Power Supply ---
* V1: 5V DC Supply
* Wiring: Positive -> Node 14 (VCC), Negative -> Node 0 (GND)
V1 14 0 DC 5

* --- Input Sensors (Simulated Switches) ---
* S1: Temperature Sensor Switch
* Wiring: Connects VCC to VA (Pin 1). Modeled as Pulse Source to simulate toggling.
* Logic Sequence: High (Overheat) / Low (Normal)
VS1 VA 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 200u 400u)

* S2: Jam Sensor Switch
* Wiring: Connects VCC to VB (Pin 2). Modeled as Pulse Source with faster period.
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Production Line Fault Monitoring

* --- Component Models ---
* Generic Red LED Model
.model DLED D (IS=1e-14 N=2 RS=10 BV=5 IBV=10u CJO=10p)

* --- Subcircuits ---
* 74HC32 Quad 2-input OR Gate
* Pinout: 1=InputA, 2=InputB, 3=Output, 7=GND, 14=VCC
* Implemented using a robust behavioral source with continuous functions
.subckt 74HC32 1 2 3 7 14
* Logic: Output = VCC if (A > 2.5V OR B > 2.5V)
* Using sigmoid function for smooth convergence: S(x) = 1/(1+exp(-k*(x-thresh)))
* max(V(1), V(2)) selects the higher voltage to compare against threshold (2.5V)
B_OR 3 7 V = V(14) * (1 / (1 + exp(-20 * (max(V(1), V(2)) - 2.5))))
.ends

* --- Main Power Supply ---
* V1: 5V DC Supply
* Wiring: Positive -> Node 14 (VCC), Negative -> Node 0 (GND)
V1 14 0 DC 5

* --- Input Sensors (Simulated Switches) ---
* S1: Temperature Sensor Switch
* Wiring: Connects VCC to VA (Pin 1). Modeled as Pulse Source to simulate toggling.
* Logic Sequence: High (Overheat) / Low (Normal)
VS1 VA 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 200u 400u)

* S2: Jam Sensor Switch
* Wiring: Connects VCC to VB (Pin 2). Modeled as Pulse Source with faster period.
* Logic Sequence: High (Jam) / Low (Clear)
VS2 VB 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 100u 200u)

* --- Pull-down Resistors ---
* R1: 10k Pull-down for Temp Input
R1 VA 0 10k
* R2: 10k Pull-down for Jam Input
R2 VB 0 10k

* --- Logic IC U1 ---
* U1: 74HC32 Quad OR Gate
* Connections per wiring guide:
* Pin 1 (A) -> VA
* Pin 2 (B) -> VB
* Pin 3 (Y) -> V_OUT
* Pin 7 (GND) -> 0
* Pin 14 (VCC) -> 14
XU1 VA VB V_OUT 0 14 74HC32

* --- Output Indicator ---
* R3: 330 Ohm Current Limiting Resistor
R3 V_OUT LED_NODE 330

* D1: Red LED Visual Indicator
* Anode -> LED_NODE, Cathode -> GND
D1 LED_NODE 0 DLED

* --- Analysis Directives ---
* Transient analysis to capture truth table states (00, 01, 10, 11)
.tran 1u 400u

* Print required voltages for verification
.print tran V(VA) V(VB) V(V_OUT) V(LED_NODE)

* Calculate DC operating point
.op

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (906 rows)
Index   time            v(va)           v(vb)           v(v_out)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	9.643749e-22
1	1.000000e-08	5.000000e-02	5.000000e-02	1.928750e-21
2	2.000000e-08	1.000000e-01	1.000000e-01	5.242886e-21
3	4.000000e-08	2.000000e-01	2.000000e-01	2.137746e-20
4	8.000000e-08	4.000000e-01	4.000000e-01	2.632654e-19
5	1.600000e-07	8.000000e-01	8.000000e-01	2.587285e-17
6	3.200000e-07	1.600000e+00	1.600000e+00	7.614990e-08
7	4.700575e-07	2.350288e+00	2.350288e+00	2.384318e-01
8	6.126008e-07	3.063004e+00	3.063004e+00	4.999936e+00
9	7.041960e-07	3.520980e+00	3.520980e+00	5.000000e+00
10	7.932149e-07	3.966074e+00	3.966074e+00	5.000000e+00
11	9.007723e-07	4.503862e+00	4.503862e+00	5.000000e+00
12	1.000000e-06	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
13	1.021511e-06	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
14	1.064534e-06	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
15	1.150580e-06	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
16	1.322672e-06	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
17	1.666856e-06	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
18	2.355224e-06	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
19	3.355224e-06	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
20	4.355224e-06	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
21	5.355224e-06	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
22	6.355224e-06	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
23	7.355224e-06	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
... (882 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Dejar entradas flotantes: No instalar las resistencias pull-down (R1, R2) provoca que las entradas «floten» y capten ruido, causando que el LED parpadee o permanezca ENCENDIDO aleatoriamente. Solución: Utilice siempre resistencias pull-down de 10 kΩ en las entradas CMOS conectadas a interruptores.
  2. Falta de resistencia limitadora de corriente: Conectar el LED directamente al pin de salida del 74HC32 sin R3. Solución: Asegúrese de que R3 (330 Ω) esté en serie con el LED para evitar quemar el CI o el LED.
  3. Confundir el pinout: Tratar el 74HC32 como un chip lógico diferente (ej. 74HC02 NOR) debido a la forma similar del encapsulado. Solución: Verifique siempre el diagrama de pines en la hoja de datos; el Pin 3 es la salida para la primera puerta en el 74HC32.

Solución de problemas

  • El LED está siempre ENCENDIDO: Verifique si las resistencias pull-down R1 y R2 están conectadas a Tierra. Si las entradas están desconectadas, flotan en Alto.
  • El LED es muy tenue: La resistencia R3 podría ser demasiado alta (ej. 10 kΩ en lugar de 330 Ω) o el voltaje de la fuente de alimentación está por debajo de 3 V.
  • No sucede nada cuando los interruptores se cierran: Verifique que el Pin 14 de U1 esté conectado a 5 V y el Pin 7 esté conectado a GND. Compruebe la continuidad de los interruptores.
  • La lógica está invertida (LED APAGADO cuando ocurre una falla): Es posible que haya utilizado accidentalmente una puerta NOR o haya cableado el LED activo en bajo (Ánodo a VCC, Cátodo a Salida).

Posibles mejoras y extensiones

  1. Alarma con enclavamiento: Añada un Flip-Flop SR o un bucle de retroalimentación para que, una vez detectada una falla, la alarma permanezca ENCENDIDA hasta que se presione un botón de «Reinicio» manual, incluso si el sensor vuelve a la normalidad.
  2. Alerta audible: Conecte un controlador de transistor y un zumbador activo de 5 V en paralelo con el LED para proporcionar una advertencia sonora en entornos de fábrica ruidosos.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el objetivo principal del circuito descrito en el artículo?




Pregunta 2: ¿Qué componente lógico se utiliza para combinar las señales de los dos sensores?




Pregunta 3: ¿Qué sucede con el LED de salida si el sensor de temperatura detecta una falla (Alto) pero el de atasco no?




Pregunta 4: ¿Cuál es el estado del sistema cuando ambos sensores están en Bajo (0 V)?




Pregunta 5: ¿Por qué es útil este sistema para la protección de equipos?




Pregunta 6: ¿Qué voltaje se considera 'Lógica Alta' para activar los sensores en este diseño?




Pregunta 7: ¿Cuál es el resultado esperado si ambos sensores se activan simultáneamente (Falla crítica)?




Pregunta 8: ¿Qué beneficio aporta la 'Redundancia' mencionada en el contexto?




Pregunta 9: ¿Qué nivel de dificultad se asigna a este proyecto según el contexto?




Pregunta 10: ¿Qué ocurre con el proceso si se detecta un atasco físico en la cinta?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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