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En xeñ er ía In dustrial

Department of Systems Engineering and Automatics

Fundamentos de Automatización Tema 3: (2h) Introducción a los autómatas programables S7-1500 (TIA PORTAL) J. Ignacio (Nacho) Armesto

Curso 2018/2019 http://eei.uvigo.es/

Tema 3: Introducción a los autómatas programables • Conocimientos preliminares – El Hardware y el Software – Variables binarias. Entradas, salidas y memoria. – Ciclo de programa – Estandarización: Norma IEC 61131 – Lenguajes de programación de autómatas. • Lista de instrucciones • Plano de contactos • Diagrama de funciones • Gráfico secuencial de funciones • La familia de autómatas Siemens SIMATIC-S7 – Gama – Directrices de montaje, conexión y configuración – Módulos periféricos – Estructura funcional del autómata – Organización modular de los programas – Entorno de programación ISA - Vigo 2019

Introducción a los autómatas programables

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Conocimientos preliminares: Ejemplo de automatización sencillo

Control de calidad en una planta de embotellado: rechazo de las botellas sin tapón. Sensor de proximidad inductivo (Tapón) Botella rechazada Fotocélula de barrera de luz (Botella) Cilindro neumático

Motor de la cinta de expulsión

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Introducción a los autómatas programables

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Hardware: Programmable Logic Controller (PLC)

Componentes hardware: • Autómata o PLC (Programmable Logic Controller) • Dispositivos de entrada: – Sensores (detectores, fines de carrera,…) – Pulsadores (botoneras, seta emergencia, …)

• Dispositivos de salida – Actuadores (motores, cilindros,…) – Señalizaciones (lámparas, displays,…)

• Interfaces HMI • Comunicaciones

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Introducción a los autómatas programables

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Software: programas de autómatas

PROGRAMA

Datos

+

Algoritmos

Variables y Bloques de Datos

Tipos de datos

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Bloques de Programa

Instrucciones

Introducción a los autómatas programables

5

Variables binarias: entradas, salidas y memoria  BIT

Longitud = 1 BIT

 BYTE 7

6

5

Longitud = 8 BITS 4

3

2

1

0

2

1

0

 PALABRA 7

6

5

4

3

Longitud = 16 BITS 7

6

5

7

6

5

 DOBLE PALABRA 7

6

5

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Estado "1” o “0”

4

3

2

1

0

4

3

2

1

0

Longitud = 32 BITS 4

3

2

1

0

7

6

5

4

3

2

1

0

7

Introducción a los autómatas programables

6

5

4

3

2

1

0

6

Programación de Autómatas. Tipos de instrucciones



Operaciones lógicas. Y lógica, O lógica, Complementario, XOR



Operaciones con temporizadores Inicialización, Activación, Comparación



Operaciones con contadores Inicialización, Incremento, Decremento



Operaciones con números Comparación, Suma, Multiplicación…

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Procesamiento cíclico del programa

Concepto de ciclo de programa: • Perro guardián (WatchDog) • Actualización Entradas (PAE imagen de entradas). • Programa de usuario: secuencia de instrucciones. • Transferencia Salidas (PAA imagen de salidas). Si el WatchDog alcanza el final del tiempo preestrablecido: Alarma!!

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WatchDog reset Actualización Entradas ... Programa usuario ... Transferencia Salidas

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Transferencia entre memoria y periferia

• Antes de procesar las instrucciones, se muestrean los canales de entrada para grabar su valor en la PAE (Memoria Imagen de Entradas). Los valores de la PAE no varían durante el ciclo de programa aunque lo haga la señal conectada a la entrada. • Al procesar las instrucciones, los resultados se almacenan temporalmente en la PAA (Memoria Imagen de Salidas). Los cambios en la PAA no tienen efecto hasta el final del ciclo de programa. • Al finalizar el ciclo de programa se transfiere el contenido de la PAA a los canales de salida.

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Procesamiento cíclico del programa Arduino: plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares

• Lenguaje de programacion intuitivo y sencillo • Código abierto • Numerosa información • Precio asequible • Bibliotecas (LiquidCrystal, Servo, Ethernet...) ISA - Vigo 2019

Void setup() { Se ejecuta una sola vez. Se encarga de la inicialización. Es el lugar donde se asignan los pines como entradas y salidas, se declaran variables, etc... } Void loop() { Es el ciclo que se repite constantemente. Aquí se escribe el programa (bucles, leer entradas, operaciones, etc...) }

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Programación de Autómatas: Estandarización



Estandarización: IEC 61131 y PLCOpen •

Norma IEC 61131: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

•

Visión general: definiciones y características Hardware: requisitos mínimos de construcción y servicio Leguajes de programación: elementos comunes, lenguajes, sintaxis Directrices para los usuarios Comunicaciones entre PLCs y otros sistemas Reservado Programación Fuzzy Directrices para la aplicación e implementación de lenguajes de programación

PLCOpen: organización sin ánimo de lucro para promover la estandarización y el desarrollo de la norma IEC61131 en los sistemas de automatización basados en PLC.

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Norma IEC 61131-3: Lenguajes de programación 

Elementos comunes: • Tipos de datos • Variables • Configuración, recursos y tareas • Unidades de organización de programas: − programas, − funciones − bloques funcionales • Gráfico Funcional Secuencial (SFC)

The IEC 1131-3 Standard Common Elements

Programming Languages 

Lenguajes de programación de PLC´s  Textuales: • Lista de instrucciones (IL, Instruction List) • Texto estructurado (ST, Structure Text)  Gráficos: • Diagrama de contactos o diagrama de escalera(LD, Ladder Diagram) • Diagrama de bloques funcionales (FBD, Function Block Diagram)

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Norma IEC 61131-3: Lenguajes de programación Gráfico Funcional Secuencial (Sequential Function Chart, SFC) – SFC describe gráficamente el comportamiento secuencial del programa de control. – Deriva de las Redes de Petri y el GRAFCET (IEC 60848) – Ayuda a estructurar el programa y a descomponer un problema en partes manejables, manteniendo simultáneamente la visión global. – Permite usar secuencias alternativas y paralelas

•

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Norma IEC 61131-3: Lenguajes de programación • Textuales: Lista de instrucciones (IL) Texto estructurado (ST)

C:=A AND NOT B

• Gráficos: Diagrama de contactos (LD) Diagrama de bloques funcionales (FBD)

•

La elección del lenguaje de programación depende de: – Los conocimientos y preferencias del programador – El ámbito del problema a tratar – El nivel de descripción del proceso – La estructura del sistema de control – La necesidad de coordinación con otras personas/departamentos

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Familia de Autómatas SIMATIC S7 200/300/400 y 1200/1500

S7-400 (altas prestaciones) S7-300 (mini autómata)

S7-1500 (mini autómata)

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S7-200 (micro autómata)

Introducción a los autómatas programables

S7-1200 (micro autómata)

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SIMATIC S7-1500: Directrices de montaje y conexión

CONFIGURACIÓN DE LOS AUTÓMATAS S7-1500: • Elementos básicos:  Fuente de alimentación (PS).  Unidad Central de Proceso (CPU).  Conectores de bus.  Módulos periféricos (SM, TM, CP, ...).  Alimentación de módulos.  Ampliación en varias filas (IM).

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SIMATIC S7-1500: Directrices de montaje y conexión

FUENTE DE ALIMENTACIÓN (PS)

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SIMATIC S7-1500: Directrices de montaje y conexión

UNIDAD CENTRAL DE PROCESO (CPU Serie 1500)

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SIMATIC S7-1500: Directrices de montaje y conexión

UNIDAD CENTRAL DE PROCESO (CPU Serie 1500)

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SIMATIC S7-1500: Directrices de montaje y conexión

MÓDULOS DE SEÑALES DE ENTRADA/SALIDA (SM)

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SIMATIC S7-1500: Directrices de montaje y conexión

MÓDULOS DE SEÑALES DE ENTRADA/SALIDA (SM)

Indicador de estado Número de canal S1 S2 K1

H1

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SIMATIC S7-1500: Directrices de montaje y conexión

 MODULARIDAD DEL SISTEMA S7-1500: Bastidor (perfil DIN)

Fuente de Alimentación

Módulos de señales de E/S ISA - Vigo 2019

Conector de señales de E/S

Conectores de bus

CPU

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SIMATIC S7-1500: Gama de módulos

• • • • •

Entradas digitales (SM-DI). Salidas digitales (SM-DO). Entradas analógicas (SM-AI). Salidas analógicas (SM-AO). Módulos de aplicación específica (TM,CP). – Contaje (alta velocidad. – Temporización (alta precisión). – Lectura de encoders. – Control de motores paso a paso. – Pesaje. – Buses de campo. Comunicaciones industriales.

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SIMATIC S7-1500: Estructura lógica del autómata

 EJEMPLO DE CONFIGURACIÓN S7-1500:

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SIMATIC S7-1500: Estructura lógica del autómata

CPU

•

Unidad de control. Firmware sistema operativo (Flash). Memoria de programa. Acumulador. Imágenes de proceso de entradas y salidas. Temporizadores, contadores y marcas.

– – – – – –

Periferia

• – – –

E/S digitales E/S analógicas Temporizadores y contadores

– –

Comunicaciones Funciones especiales …

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SIMATIC S7-1500: Estructura lógica de la CPU en autómatas S7

Memoria de Programa

CPU Memoria Flash del S.O. (Firmware)

Unidad de Control

Memory Card (SD)

Temporizadores internos

CANAL Profinet

Contadores internos

Imagen de proceso de entradas (PAE) y salidas (PAA)

Registros (ACU1, ACU2, RLO, ...)

Marcas

Bus

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Entradas digitales y analógicas

Salidas digitales y analógicas

Módulos de temporizadores, contadores y comparadores

Otros módulos funcionales

Periferia

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SIMATIC S7-1500: Estructura lógica de la CPU en autómatas S7

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SIMATIC S7-1500: Datos técnicos de la familia de CPU´s S7-1500

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SIMATIC S7-1500: Datos técnicos de la familia de CPU´s S7-1500

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Programación modular: Organización modular en STEP7

• División del problema en unidades mas pequeñas.

FB 3

OB 1

BE FC 1 BE

• Reutilización de bloques de código.

FC 21 BE

FB 5

• Separación de tareas.

BE

BE

FC 54 BE

La profundidad de anidamiento depende de la CPU utilizada. ISA - Vigo 2019

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Programación modular: Bloques de Organización (OB)

• Llamados por el sistema operativo ante determinadas situaciones: – OB1

: Ejecución cíclica del programa.

– OB35

: Ejecución cíclica temporizada.

– OB80

: Error de tiempo (p. ej. Perro Guardián)1.

– OB82

: Diagnóstico Hardware.

– OB100 : Rearranque completo (en caliente) (cambio de Stop a Run). – OB121 : Fallo de programación. 1

Si el OB no ha sido programado, la CPU pasa al estado operativo STOP.

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Programación modular: Librerías estándar del sistema

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Entorno de programación: Elección del idioma y los mnemónicos Antes de abrir un programa para editarlo, es posible cambiar el idioma que usa el Editor de Programas, así como los mnemónicos (IEC, internacional o SIMATIC, alemán).

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Entorno de programación:Estructura de proyectos TIA Portal

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Entorno de programación:Estructura de proyectos TIA Portal

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Entorno de programación:Estructura de proyectos TIA Portal

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Entorno de programación:Estructura de proyectos TIA Portal

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Entorno de programación:Estructura de proyectos TIA Portal

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Entorno de programación:Estructura de proyectos TIA Portal

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Entorno de programación:Estructura de proyectos TIA Portal

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Bibliografía

• Bibliografía principal:  Siemens, “Manuales de la familia SIMATIC S7-1500”, Ed. SIEMENS AG.  IEC, Norma “IEC 61131-3: Programmable Controllers – Programming Languages”, Ed. IEC.  R.W. Lewis, “Programming industrial control systems using IEC 1131-3”, IEE Control Engineering series. 1996.  E. Mandado, J. Marcos, C. F. Silva e I. Armesto, “Autómatas Programables y Sistemas de Automatización”. Ed. Marcombo. 2018. • Bibliografía adicional:  A. Porras y A.P. Montero, “Autómatas Programables. Fundamento. Manejo. Instalación y Práctica”, Ed. Mc. Graw-Hill.  J. P. Romeda et al., “Problemas Resueltos con Autómatas Programables”, Ed. Paraninfo.

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