UNIDAD 3. EQUIPAMENTO DE CONTROL - CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES INTRODUCCIÓN En esta unidad se busca que usted aprenda los conocimientos necesarios para programar en los autómatas de la serie Simatic S7 de Siemens. Se va a mostrar la utilización del programa Step7, ya que este programa es comercial se requiere que usted logre la destreza en su operación mediante la utilización de los manuales necesarios para su empleo. Todo lo aquí expuesto ha sido obtenido de los manuales del autómata, pero se ha estructurado de distinta forma, tratando que la persona que lo utilice no se pierda en ningún momento y que acceda de forma rápida a lo que busca. Por supuesto, esta unidad no es una alternativa al manual que incorpora el autómata, se debe tomar como una guía complementaria. El manual proporciona más ejemplos y mayor detalle que el expuesto aquí. Es necesario que el lector esté familiarizado con el álgebra de Boole, y si se está familiarizado con algún otro lenguaje de programación (como C o ensamblador) será mucho más sencillo y rápido. Si no conoce los conceptos de álgebra de Boole puede recurrir al tutorial disponible en la sección de electrónica industrial en esta misma web. OBJETIVOS En esta unidad usted está invitado a adquirir el conocimiento en los equipos destinados a la implementación de las estructuras de control de la lógica cableada eléctrica a la lógica programada, además:

- El estudio del controlador programable de la familia simatic S7 Siemens, su composición interna, periferia descentralizada y especificaciones para su selección.

- El estudio del lenguaje de programación, el cual abarca desde las funciones básicas del algebra booleana hasta la programación estructurada.

- La utilización del software de programación, incluyendo la creación de proyectos y la generación de los bloques de programación.

Tema 1, Estructura y funcionamiento básico

Mecanismos Básicos para Automatizar un proceso Figura 3.1

Los Controladores Lógicos Programables (PLCs), también llamados autómatas programables, forman parte de la familia de los computadores. Se usan en aplicaciones comerciales e industriales. Un autómata monitoriza las entradas, toma decisiones basadas en su programa, y controla las salidas para automatizar un proceso o máquina.

Figura 3.2

Los PLC´S (Controladores Programables) son equipos destinados al control de procesos industriales. Mandos : Arranque, Parada, Señalización, Alarmas, Funciones de Protección CONTROL Regulación : Controladores PID, Lazos de Cascada, Fuzzy, etc. Internamente esta constituido por una unidad micro procesada conocido como CPU y solidario a este se encuentran los periféricos. El diagrama interno lo podemos ver en la siguiente figura.

Figura 3.3

Funcionamiento básico Un autómata programable consiste en módulos de entradas, una CPU, y módulos de salidas. Una entrada acepta una gran variedad de señales analógicas o digitales de varios dispositivos de campo (sensores) y los convierte en una señal lógica que puede usar la CPU. La CPU tomas las decisiones y ejecuta las instrucciones de control basadas en las instrucciones del programa de la memoria. Los módulos de salida convierten las instrucciones de control de la CPU en una señal digital o analógica que se puede usar para controlar dispositivos de campo (actuadores). Se usa un

dispositivo de programación para introducir las instrucciones deseadas. Estas instrucciones especifican lo que debe hacer el autómata según una entrada especifica. Un dispositivo operador permite procesar la información para ser visualizada e introducir nuevos parámetros de control.

Figura 3.4

Los pulsadores (sensores), conectados a las entradas del autómata, pueden usarse para arrancar y parar un motor conectado a un autómata a través de un arrancador (actuador).

Figura 3.5

Control Antes de que existieran los autómatas, muchas de las tareas de control se solucionaban mediante relevación electromecánica. Esto con frecuencia se denominaba control mediante lógica cableada. Se tenían que diseñar los diagramas de circuito, especificar e instalar los componentes eléctricos, y crear listas de cableado. Entonces los electricistas debían cablear los componentes necesarios para realizar una tarea específica. Si se cometía un error, los cables tenían que volver a conectarse correctamente. Un cambio en su función o una ampliación del sistema requería grandes cambios en los componentes y su recableado. El Autómata Lo mismo, además de tareas más complejas, se puede hacer con un autómata. El cableado entre dispositivos y los contactos entre relés se hacen en el programa del

autómata. Aunque todavía se requiere el cableado para conectar los dispositivos de campo, éste es menos intensivo. La modificación de la aplicación y la corrección de errores son más fáciles de realizar. Es más fácil crear y cambiar un programa en un autómata que cablear y recablear un circuito. Las Ventajas • Menor tamaño físico que las soluciones de cableado • La realización de cambios es más fácil y más rápida. • Los autómatas llevan integradas funciones de diagnóstico. • Los diagnósticos están disponibles centralmente en la PG. • Las aplicaciones pueden ser inmediatamente documentadas. • Se pueden duplicar las aplicaciones más rápidamente y con menor coste.

Considerando un caso particular, aplicaremos por el sistema de automatización Simatic S7 de la SIEMENS. en el se distinguen 3 tipos de CPU: - Gama Baja: CPU 200 - Gama Media: CPU 300 - Gama Alta: CPU 400 Tema 2. Controladores Siemens Siemens fabrica varios líneas de autómatas de la familia SIMATIC® S7. Son: S7-200, S7-300, y S7-400. S7-200: Al S7-200 se le denomina microsistema a causa de su pequeño tamaño. El S7-200 tiene un diseño compacto que significa que la fuente de alimentación y las Entradas/Salidas las lleva incorporadas. El S7-200 puede usarse en pequeñas aplicaciones independientes como ascensores, lavado de coches, o máquinas mezcladoras. También puede utilizarse en aplicaciones industriales más complejas como máquinas de embotellado y empaquetado.

Figura 3.6

S7-300 y S7-400 Estos autómatas se usan en aplicaciones más complejas que necesitan de un mayor número de Entradas/Salidas. Ambos son modulares y ampliables. La fuente de alimentación y las Entradas/Salidas consisten en módulos independientes conectados a la CPU. La elección entre el S7-300 y el S7-400 depende de la complejidad de la tarea y de una posible ampliación futura.

Figura 3.7

CICLO DE TRABAJO DEL AUTÓMATA El autómata va a ejecutar nuestro programa de usuario en un tiempo determinado, el cual va a depender sobre todo de la longitud del programa. Esto es debido a que cada instrucción tarda un tiempo determinado en ejecutarse, por lo que en procesos rápidos será un factor crítico. En un sistema de control mediante autómata programable tendremos los siguientes tiempos: 1. Retardo de entrada. 2. Vigilancia y exploración de las entradas. 3. Ejecución del programa de usuario. 4. Transmisión de las salidas. 5. Retardo en salidas. Los puntos 2, 3 y 4 sumados dan como total el tiempo de ciclo del autómata. Tras este ciclo es cuando se modifican las salidas, por lo que si varían durante la ejecución del programa tomarán como valor el último que se haya asignado. También supone que una variación en las entradas no se verá durante la ejecución del programa, hasta que se inicie un nuevo ciclo. Esto es así debido a que no se manejan directamente las entradas y las salidas, sino una imagen en memoria de las mismas que se adquiere al comienzo del ciclo (2) y se modifica al final de éste (retardo). En la etapa de vigilancia (watchdog) se comprueba si se sobrepasó el tiempo máximo de ciclo, activándose en caso afirmativo la señal de error correspondiente.

Figura 3.8

TEMA 3. MÓDULOS DE EXPANSIÓN Y DIRECCIONAMIENTO . MÓDULOS DE EXPANSIÓN En este se encuentran todos los elementos que intervienen en el proceso como entradas y salidas tanto análogas, como digitales y sus respectivos módulos de funciones especiales. 1. Entradas Digitales . Son señales lógicas provenientes de pulsadores, microsuiches, contactos de dos posiciones, generalmente se aplican libres de potencial y se polarizan con la fuente interna. La siguiente figura muestra un esquema básico del elemento.

Figura 3.9

2. Salidas Digitales. Son los estados lógicos como respuesta de un proceso de control el cual produce la activación de válvulas solenoides, relevos, contactores, pilotos, en general, actuadores ON / OFF.

ACTUALIZAN ENTRADAS EN LA PAE

MANDOS

PR

OG

RA

MA

DE

U

SU

AR

IO

COMUNICACION

PROTECCION

FUNCIONES

SE ACTUALIZAN SALIDAS EN LA PAA

MO

DU

LO D

E

EN

TR

AD

AS

D

IGIT

ALE

S

DI1

L+

DI2

DI3

Figura 3.10

Tipo Rele Salidas Digitales Tipo Transistor 3. Módulos Especiales. - Módulos de Red: Profinet, Profibus. - Módulos de Regulación. - Módulos de Instrumentación. - Módulos de Control de Posición. 4. DIRECCIONAMIENTO: Es el reconocimiento por parte de la CPU de las entradas y salidas análogas y digitales presentes en el programa de usuario ESTRUCTURA BÁSICA: [CPU 300]

SLOT

Figura 3.11 PS: Power Supply . [Es la Fuente de poder del PLC que generalmente posee una entrada de 60-400VAC y una salida de 24VDC de tipo conmutado.] IM: Modulo de Impulsión . Su función es la de amplificar la señal de las DI/DO/AI/AO desde y hacia la CPU cuando se presenta un número de IM’s superior a 8 unidades

L+

DO1

DO2

DO3

DO4

M

R

+24Vdc

SM1: Módulos de señal DI/DO/A1/AO Direccionamiento de los IM’s : Es la asignación para la CPU de los módulos de señal por el programa de usuario. Para los módulos de señal de tipo digital: E: Entrada Digital A: Salida Digital EX.Y; AX.Y : X es la Dirección del byte y Y es la Dirección del bit en el Slot del Bastidor

DIRECCIONES DE MÓDULOS ANALOGICOS Y DIGITALES EN LA CPU 300 DE LA

SIEMENS

SLOT BASTIDOR

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

0 DIGITAL ANALOG PS CPU IM 0

4

8

12

16

20

24

28

1 DIGITAL ANALOG - - IM 32

36

40

44

48

52

56

60

2 DIGITAL ANALOG - - IM 64

68

72

76

80

84

88

92

3 DIGITAL ANALOG - - IM 96

100

104

108

112

116

120

124

Figura 3.12

Ejemplo 1: Direccionar el modulo SM de 16 DI/DO ubicado en el slot 9 del bastidor 3

L+ L+

E 116.0← DI0 DO0 →A 116.0 E 116.1← DI1 DO1 →A 116.1

E 116.2← DI2 DO2 →A 116.2

E 116.3← DI3 DO3 →A 116.3

E 116.4← DI4 DO4 →A 116.4 . DI5 DO5 . . DI6 DO6 .

E 116.7← DI7 DO7 →A 116.7

. M M . E 117.0← DI8 DO8 →A 117.0

. DI9 DO9 .

. DI10 DO10 .

. . . .

. . . .

. . . .

E 117.7← DI15 DO15 →A 117.7

M

M

Figura 3.13 TEMA 4. LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN SIMATIC S7 Para toda la familia de autómatas Simatic S7 se emplean los siguientes lenguajes de programación: - Lista de instrucciones (AWL). - Esquema de contactos (KOP): se representa gráficamente con símbolos eléctricos. - Programación por funciones (FUP) Internamente el autómata solo trabaja con lista de instrucciones, KOP es traducido a AWL por Step7. Las instrucciones son las órdenes lógicas elementales que el sistema debe obedecer. Suelen ocupar una línea de programa (dos en algunas instrucciones), y no pueden escindirse en instrucciones parciales. Las instrucciones AWL se dividen en: • OPERACION: indica la instrucción que se ha de realizar (ej. AND). • OPERANDO: indica una constante o dirección con la que debe trabajar la operación. Si se trata de una dirección se puede manejar en modo bit, byte o palabra.

CONJUNTO BASICO DE INTRUCCIONES En el sistema Simatic S7 Lenguaje de programación es el STEP-7 KOP: Programación por contactos FUP: Programación por funciones AWL: Programación por lista de instrucciones GRAFCET: Gráfico d e funciones, eventos, y transiciones . 1. La Compuerta AND. KOP:

Step7

FUP:

AWL:

u E0.0

u E0.1

u E0.2 = A 0.0 2. La Compuerta OR. KOP:

FUP:

AWL: O E124.0 O E124.1 O E124.2 = A124.0 3. Negación de una entrada. KOP:

FUP:

AWL:

u: E124.0

u: E124.1

uN: E124.2 = A124.0 Respecto a una instrucción se distinguen las siguientes partes: INGLES ALEMAN – ESPAÑOL A I 124.0 U E 124.0 And Input Und Eingan O I124.0 O E 124.0 Dirección O Q124.0 O A 124.0 Or Quit Ausgan: Operando 4. Temporización ON – DELAY (SE) KOP:

FUP:

AWL: U E124.3 L S5T#3min2seg SE T1

5. Temporizado OFF – DELAY (SA). KOP:

6. Memoria S – R. KOP:

FUP:

AWL: U E125.0 S A124.3 U E125.2 R A124.3 7. MARCAS O FLAGS AUXILIARES. Tipo Bit: M00, M01, M02.......... .M07 M255.0.......................M255.7 Tipo Byte: MB0, MB1...................MB255 Tipo Word: MW0, MW2, MW4......MW254 Tipo Doble Word: MD0, MD4, MD8..........MD252 EJEMPLO 1 1. Transcribir a AWL las siguientes instrucciones en KOP KOP:

SOLUCIÓN: AWL: O( U E0.0 U E0.1 ) O( U E1.0 U E1.1 ) U E0.3 U E0.7 U E1.3 = M0.0 2. Transcribir a AWL las siguientes instrucciones en KOP

SOLUCIÓN: Transcribimos el diagrama KOP a la forma tradicional serie paralelo: KOP:

Ahora: AWL: O( U E0.1 U E0.4 ) O( U E0.1 U E0.5 U E 0.3 ) O( U E0.2 U E0.3

) O( U E0.2 U E0.5 U E0.4 ) = A124.0 3. Transcribir a KOP U ( O E0.4 O E0.7 O E1.0 ) U( O E0.6 O( U E0.1 U E0.3 U E0.5 U E0.0 ) ) O( U E1.1 U E1.2 ) = A0.0 EJERCICIO 1 Se tienen los siguientes elementos. - Un motor de 6hp/220V - 3 Contactores de CA con bobina a 220V - 4 Relevos con bobina a 24V DC - 4 Diodos 1N4148 - 1 Relé térmico con contacto auxiliar - 2 Pulsadores normalmente abiertos Se desea realizar la siguiente tarea: i – Al oprimir el pulsador de arranque el motor deb e girar en sentido directo por 5 segundos y reposar 2 segundos, para girar respect ivamente en sentido inverso por 8 segundos (Debe reposar 2 segundos). ii – Se debe repetir 10 veces la secuencia de inver sión de giro; Luego la maquina queda detenida completamente. ii – El pulsador de parada y el contacto de sobreca rga operado detienen la secuencia de operación en cualquier instante. A – Realizar el diagrama de fuerza que involucre co ntactores, térmico y motor. B – El diagrama de conexión al PLC Simatic S7 CPU 3 14 IFM

C – El programa en KOP que permita realizar la tare a propuesta.

TEMA 5. PROGRAMACION ESTRUCTURADA El sistema Step 7 posee un modo de Programación por bloques con la posibilidad de realizar subprogramas de propósito general. Entre ellos tenemos: - Bloques de Organización OB´S: OB1 : Programa principal de usuario OB13: Bloque de control por tiempos OB31: Bloque de interrupciones - Bloques Funcionales: Subprogramas de tipo Function. (FB´S): En ellos se

programan tareas de propósito general, los FB´S poseen variables de tipo parámetro cuyos valores se almacenan en datos DB´S conocidos como bloques de datos de instancia.

- Bloques Funcionales FC´S: De operación similar a los FB´S pero no poseen la

capacidad de almacenar los valores instantáneos de sus parámetros. - Bloques de Datos: DB´S. En ellos se almacenan información requerida por el

usuario o por algún subprograma de propósito general. FB´S de funciones Especiales: Entre ellos tenemos: - FB´S de Regulación - FB´S de Mando secuencias - FB´S de Control de posición, etc. Además se encuentran los FB´S que son bloques funcionales del sistema operativo. NIVEL DE LA ESTRUCTURA DE PROGRAMACION Es la cadena de programación que abarca el programa principal y todos las subrutinas involucradas, debemos además tener en cuenta que un subprograma puede invocar a otro subprograma dentro de los niveles de programación.

Figura 3.15

EJERCICIO 2:

Se desea realizar la siguiente tarea.

i. Al Pulsar el START el motor arranca en conexión “Y” con KY, además de su contactor principal Km. ii. Cuatro segundos después se desconecta la “Y” y 1 segundo después pasamos a triángulo con Kd. iii. El STOP y OL apagan por completo la secuencia y por consiguiente el motor. A. Realizar un FB1 que desarrolle la tarea planteada. B. El OB1 pertinente que invoque al FD1 con DB1. EJERCICIO 3: Arranque “Y–D” para un grupo de 3 motores.

Se desea realizar la siguiente tarea: i. Al aplicar START se da inicio a la secuencia “Y–D” del motor M1 (tiempo en “Y” 3 segundos) ii. Cuatro segundos después del arranque del motor M1 se procede al arranque del segundo motor (tiempo en “Y” 4 segundos) iii. Tres segundos después del arranque del segundo motor se procede al arranque del tercer motor (tiempo en “Y” 5 segundos) iv. El STOP, OL1, OL2 y OL3 detienen por completo la secuencia de operación del sistema. Realizar la programación de la anterior tarea considerando el FB1 que permite la programación de la secuencia de arranque “Y–D” generalizada. El OB1 debe contener el llamado del FB1 correspondiente con el DB asociado para cada motor. RESUMEN En esta unidad desarrollamos temas orientados a equipos como PLC’s en los cuales se implementas las estructuras de control de la lógica cableada eléctrica a la lógica programada, la programación estructurada y conexionado de las entradas y salidas digitales; la CPU 314 de la Siemens es un caso particular con alta potencialidad. ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE Utilizando la red de Microsoft Windows XP, Elabore la solución del Ejercicio 2 desde dos terminales PC’s, donde el primer PC (PC1) está conectado al sistema Simatic S7 con CPU314IFM con la interface MPI y el segundo PC (PC2) está en red.

i. Los dos PC’s presentan el mismo programa de control. ii. Modifique el valor de alguna variable en el programa del PC2 y por

medio de la red Microsoft debe transmitirlo al PLC, no olvide que debe establecer un puente a través del PC1.

iii. Observe el valor de las variables principales del programa del PLC en el PC2.

iv. Para ii y iii elabore un diagrama de bloques inicialmente, el cual conduzca a la solución.

LECTURAS COMPLEMENTARIAS Del pdf d11_cp342_cp342 relacionado con el equipo Simatc s7 Siemens:

Para el sistema simatic S7 con CPU314 en una red multipunto, una red Profibus DP y una red Profinet lea claramente:

i. Información ii. Programación iii. Ejercicio Ejemplo.

SIEMENS AG, SIMATIC S7 Automata programable S7 300/S7 400, Siemens, SIEMENS AG, Manual de formación para soluciones generales en automatización Totally Integrated Automation (TIA ) PROFIBUS DP con CP 342-5DP maestra/CP 342-5DP esclava.