Tema  7  Programación  Avanzada.  Visión  Prác4ca  con  S7-­‐1200  PARTE  1:  PROCESAMIENTO  DE  SEÑALES  ANALÓGICAS  

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Procesado  de  señales  analógicas  •  SEÑALES  ANALÓGICAS  

•  A  diferencia  de  una  señal  binaria,  que  solo  puede  adoptar  los  estados  de  señal  "Tensión  presente  +24V"  y  "Tensión  no  presente  0V",  las  señales  analógicas  pueden  adoptar  cualquier  valor  dentro  de  un  rango  determinado.  Un  ejemplo  ]pico  de  sensor  analógico  es  un  potenciómetro.  En  función  de  la  posición  del  botón  rota4vo,  se  puede  ajustar  cualquier  resistencia  hasta  un  valor  máximo.  

•  Ejemplos  de  magnitudes  analógicas  en  la  tecnología  de  control:  •  Temperatura  -­‐50  ...  +150  °C  •  Caudal  0  ...  200  l/min  •  Velocidad  500  ...  1500  rpm    •  Etc.  

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Procesado  de  señales  analógicas  •  SEÑALES  ANALÓGICAS  

•  Estas  magnitudes  se  transforman  con  un  transductor  de  medida  en  tensiones,  intensidades  o  resistencias  eléctricas.  Si  se  desea,  p.  ej.,  registrar  una  velocidad,  el  rango  de  velocidad  de  500  ...  1500  rpm  se  puede  conver4r  en  un  rango  de  tensión  de  0  ...  +10  V  con  un  transductor  de  medida.  A  una  velocidad  medida  de  865  rpm,  el  transductor  de  medida  emi4ría  un  valor  de  tensión  de  +3,65  V.  

•  Estas  tensiones,  intensidades  y  resistencias  eléctricas  se  conectan  a  un  módulo  analógico  que  digitaliza  esta  señal.  

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3  

3  

365

1000 U/min

10V

10V: 1000 U/min = 0,01 V/U/min

365 U/min x 0,01 V/U/min = 3,65

0 V +10V

500 865 1500 U/min

!

Procesado  de  señales  analógicas  •  SEÑALES  ANALÓGICAS  

•  Si  se  procesan  magnitudes  analógicas  con  un  PLC,  el  valor  de  tensión,  intensidad  o  resistencia  leído  debe  conver4rse  en  información  digital.  Esta  transformación  se  denomina  conversión  analógica-­‐digital  (conversión  A/D).  Esto  significa  que,  p.  ej.,  el  valor  de  tensión  de  3,65  V  se  almacena  como  información  en  una  serie  de  posiciones  binarias.  Cuantas  más  posiciones  binarias  se  u4licen  para  la  representación  digital,  más  fina  será  la  resolución.  Si,  por  ejemplo,  únicamente  se  dispone  de  1  bit  para  el  rango  de  tensión  0  ...  +10  V,  solo  se  podría  hacer  una  afirmación:  si  la  tensión  medida  se  encuentra  en  el  rango  0...  +5  V  o  en  el  rango  +5  V  ...  +10  V.  Con  2  bits,  el  rango  ya  se  puede  dividir  en  4  áreas  individuales,  es  decir,  0  ...  2,5  /  2,5  ...  5  /  5  ...  7,5  /  7,5  ...  10  V.  Los  conver4dores  A/D  habituales  en  la  tecnología  de  control  trabajan  con  8  o  con  11  bits.  

•  Así,  8  bits  suponen  una  resolución  de  256  áreas  individuales  y  11  bits,  2048  áreas  individuales.  

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11 Bit

10V: 2048 = 0,0048828→ es können Spannungs-

unterschiede <5mV erkannt

werden0 2048

0A/0V 20mA/10V

!

10 V: 2048 = 0,0048828 à Se pueden detectar diferencias de <5 mV en la tensión

Resolución:  Podemos  definir  la  resolución  como  el  número  de  valores  discretos  capaz  de  ser  dis4nguidos  de  forma  individual  por  el  autómata  en  el  rango  de  señal  admisible  por  el  conver4dor  analógico  /  digital.  

Procesado  de  señales  analógicas  •  Tratar  valores  calculando  la  correspondencia  entre  la  medida  real,  señal  analógica  y  rango  en  el  formato    del  PLC  es  extremadamente  incómodo,  ya  que  implica  realizar  varios  cálculos  previos  de  cara  a  realizar  la  comparación  •  SÓLO  SERÍA  RAZONABLE  EN  CASO  DE  POCOS  VALORES  Y  CONOCIDOS  (p.e.  sensor  ultrasónico  que  mide  el  nivel  de  un  depósito  y  sólo  toma  decisiones  respecto  al  rango  de  50%  del  mismo).    

•  En  los  demas  casos  -­‐>  hay  2  posibilidades  •  Implementar  las  operaciones  aritmé3cas  correspondientes  al  tramiento  de  datos  dentro  de  programa  de  control  del  PLC  

•  Realizar  un  escalado  y  normalización  de  valores.    •  La  realización  de  un  escalado  4ene  como  obje4vo  conver4r  los  datos  en  formato  palabra  del  PLC(enteros)  en  valores  reales  del  rango  de  medida  del  disposi4vo  original  (p.e.  la  temperatura  de  0  a  760°C)  de  acuerdo  a  la  resolución  del  mismo,  y  poder  realizar  operaciones  de  forma  directa.    

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Procesado  de  señales  analógicas  •  La  realización  de  un  escalado  4ene  como  obje4vo  conver4r  los  datos  en  formato  palabra  del  

PLC(enteros)  en  valores  reales  del  rango  de  medida  del  disposi4vo  original  (p.e.  la  temperatura  de  0  a  760°C)  de  acuerdo  a  la  resolución  del  mismo,  y  poder  realizar  operaciones  de  forma  directa.    

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Parám.   Descripción  

Ov   Valor  de  salida  escalado  (Output  value)  

lv   Valor  de  entrada  analógico  (Input  value)  

Osh   Valor  límite  superior  de  la  escala  para  el  valor  de  salida  escalado    

Osl   Valor  límite  inferior  de  la  escala  para  el  valor  de  salida  escalado    

lsh   Valor  límite  superior  de  la  escala  para  el  valor  de  entrada  analógico  

lsl   Valor  límite  inferior  de  la  escala  para  el  valor  de  entrada  analógico  

Valor  de  Salida  Escalado  

Valor  de  Entrada  Analógico  

lsh  lsl  

Osl  

Osh  

lv  

Valor  de  Salida  Escalado  

Valor  de  Entrada  Analógico  

lsh  

lsl  

Osl  

Osh  

lv  Ov  

Ov  

Procesado  de  señales  analógicas  •  En  algunos  casos  incluso  sera  necesario  un  escalado  con  desviación,  p.e.  si  el  rango  de  medida  de  disposi4vo  de  4-­‐20  mA,  y  el  del  PLC  sólo  mide  señales  en  corriente  de  0  a  20  mA.    •  Esto  significa  que  una  medida  de  4  mA  del  disposi4vo  (cero  en  su  medida),  el  PLC  la  

interpreta  como  un  dato  de  señal  de  valor  entero  (en  palabra)  de  6400  suponiendo  un  rango  de  (0,32000).  

•   Esto  implica  que  en  el  escalado  de  salida,  éste  valor  debera  corresponder  al  dato  de  rango  mínimo  (0)  de  medida  del  disposi4vo.    

•  Lo  que  significa  que  el  valor  escalado  puede  ser  calculado  mediante  la  recta  de  interpolación  lineal  entre  Osh  y  Ish,  e  Osl  y  Isl.  Podemos  calcular  por  tanto  el  valor  de  acuerdo  a  la  siguiente  fórmula:    

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Valor  de  Salida  Escalado  

Valor  de  Entrada  Analógico  lsh  lsl  

Osl  

Osh  

lv  

Ov  

Procesado  de  señales  analógicas  •  S7  1200  

•  En  el  caso  del  S7-­‐1200  existen  dos  4pos  de  elementos  que  realizan  medidas  /  actuaciones  analógicas:  los  módulos  SM  (1231,  1232,  1234)  y  las  tarjetas  Signal  Board  SB  1232.    

•  En  el  caso  de  los  módulos  SM  la  diferencia  entre  los  mismos  es  el  número  de  E/S  analógicas  capaces  de  tratar.    

•  Dado  que  hay  CPUs  que  no  son  ampliables  con  módulo  de  señal  (como  la  CPU  1211C),  el  S7-­‐1200  integran  la  posibilidad  de  acoplar  una  tarjeta  de  señal  (Signal  Board)  que  proporciona,  además  de  las  dos  AI  que  integra  la  propia  CPU,  AO  de  12  /  11  bits  de  resolución  (U/I)  o  AI  adicionales,  o  incluso  DI  y  DO  .  Las  tarjetas  SB  van  integradas  en  el  cuerpo  del  PLC,  op4mizando  de  esta  forma  el  espacio  ocupado  por  el  conjunto.    

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SM  1231  SB  1232  

Procesado  de  señales  analógicas  •  S7  1200  

•  En  el  caso  del  S7-­‐1200,  como  se  ha  comentado  anteriormente,  éste  viene  equipado  con  2  AI  en  tensión,  con  rango  0-­‐10  V  (no  pueden  ser  configuradas  como  entradas  en  corriente  ni  en  otro  rango  diferente),  como  puede  verse  en  la  imagen:    

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En  este  caso,  la  resolución  de  las  entradas  analógicas  integradas  en  el  S7-­‐1200  es  de  10  bits.  Para  el  caso  de  las  SB  y  los  SM,  la  resolución  de  las  AI  y  AQ  aumenta  hasta  los  12  bits,  admi4endo  tanto  entrada  en  tensión  como  en  corriente.  Esto  significa  que  el  rango  de  valores  capaces  de  ser  dis4nguidos  por  el  PLC  en  base  a  los  10  bits  de  almacenamiento  es  de:  210  =    1024  No  obstante  estos  10  bits  van  integrados  en  una  palabra  de  datos,  por  lo  que  su  rango  de  variación  en  el  PLC  sera  mayor  como  podemos  ver  en  las  caracterís4cas:  de  0  a  27648.          

Procesado  de  señales  analógicas  •  S7  1200  

•  En  el  caso  de  las  entradas  AI  integradas  del  S7-­‐1200,  se  han  eliminado  los  ajustes  de  ganancia  y  offset  y  aunque  los  16  bits  de  la  palabra  de  datos  admiten  un  rango  de  variación  de:  216  =  65536  

•  que  se  queda  en  únicamente  de  0  a  32767  por  ser  unipolar  (0  a  10  V),  se  ha  modificado  el  rango  para  contemplar  sobreimpulsos  y  excesos  de  señal  (valores  de  entrada  en  tensión  por  encima  de  los  10  V).  De  esta  forma,  por  ejemplo  en  el  rango  de  0-­‐10  Vcc  comprende  las  señales  entre  0  y  27648  (UNIPOLARES)  y  en  el  rango  de  ±10Vcc  comprende  las  señales  entre  -­‐27648  y  27648  (BIPOLARES)  

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Procesado  de  señales  analógicas  •  S7  1200  

•  Al  agregar  una  CPU  a  STEP7,  se  asignan  automá4camente  las  direcciones  de  entrada  (I)  y  salida  (Q).  El  direccionamiento  predeterminado  puede  no  obstante  cambiarse  seleccionando  el  campo  de  dirección  en  la  ventana  de  configuración  de  la  vista  general  de  disposi4vos  y  tecleando  números  nuevos.    

•  Con  respecto  a  las  entradas  analógicas  de  la  CPU,  hay  que  tener  en  cuenta  que  se  asignan  en  grupos  de  dos,  y  ocuparán  por  tanto  4  bytes:    

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11  Por  defecto  vienen  asignadas  como  AI2_1:  64...67.  Esto  quiere  decir  que  las  entradas  analógicas  en  el  S7-­‐1200  ocuparán  los  canales:  IW64  y  IW66  

En  el  caso  de  emplear  SBs  o  SMs  con  entradas  /  salidas  analógicas  adicionales,  las  mismas  será  igualmente  configurables  desde  la  vista  general  de  disposi4vos:  

Procesado  de  señales  analógicas  •  S7  1200  

•  En  este  ejemplo,  con  un  bit  asociado  en  configuración  de  marcas  de  sistema  y  ciclo  para  siempre  ON,  se  realiza  un  movimiento  del  dato  de  IW64  a  un  byte  de  un  bloque  de  datos  creado  a  tal  fin  (DB1)  y  denominado  “entrada_analog”.  

•  Posteriormente  se  compara  el  valor  de  este  byte  con  consignas  de  referencia,  ac4vando  o  desac4vando  salidas  consecuentemente:  

•  -­‐  Si  “entrada_analog”  4ene  un  valor  menor  o  igual  de  15000,  se  ac4vará  la  salida  Q0.0.  

•  -­‐  Si  “entrada_analog”  está  en  un  rango  (IN_RANGE)  de  entre  15001  y  20000,  se  ac4vará  la  salida  Q0.1  (y  se  desac4vará  la  Q0.0  anterior).  

•  -­‐  Si  por  úl4mo  “entrada_analog”  4ene  un  valor  superior  a  20000  (y  menor  del  rebase  por  exceso),  se  ac4vará  la  salida  Q0.2  (y  se  desac4vará  la  Q0.1).  

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Procesado  de  señales  analógicas  •  S7  1200  

•  S7-­‐1200  viene  con  funciones  integradas  para  realizar  el  escalado  y  normalización  de  valores,  o  bien  para  realizar  el  cálculo  mediante  la  implementación  de  la  recta  de  interpolación:  

•  Funciones  de  normalización  y  escalado:  NORM_X  y  SCALE_X.  •  La  instrucción  NORM_X  normaliza  el  valor  de  las  variables  de  la  entrada  VALUE  

mapeándolas  en  una  escala  lineal.  Los  parámetros  MIN  y  MAX  sirven  para  definir  los  límites  de  un  rango  de  valores  que  se  refleja  en  la  escala.  En  función  de  la  posición  del  valor  que  se  debe  normalizar  en  este  rango  de  valores,  el  resultado  se  calcula  y  se  deposita  como  número  en  coma  flotante  en  la  salida  OUT.  Si  el  valor  que  se  debe  normalizar  es  igual  al  valor  de  la  entrada  MIN,  la  salida  OUT  devuelve  el  valor  "0.0".  Si  el  valor  que  se  debe  normalizar  adopta  el  valor  de  la  entrada  MAX,  la  salida  OUT  devuelve  el  valor  "1.0".    

•  En  este  caso  se  normaliza  la  entrada  IW64,  cuyos  valores  pueden  tomarse  en  el  rango  entre  0  y  27648  (0  a  10  Vcc)  a  un  número  real  entre  0  y  1  que  se  deposita  en  MD0.  

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Procesado  de  señales  analógicas  •  S7  1200  

•  Funciones  de  normalización  y  escalado:  NORM_X  y  SCALE_X.  •  La  instrucción  SCALE_X  escala  el  valor  de  la  entrada  VALUE  mapeándolo  en  un  rango  de  

valores  determinado  .  Al  ejecutar  la  instrucción,  el  número  en  coma  flotante  de  la  entrada  VALUE  se  escala  al  rango  de  valores  definido  por  los  parámetros  MIN  y  MAX.  El  resultado  de  la  escala  es  un  número  entero  que  se  deposita  en  la  salida  OUT.  

•  En  este  caso  se  escala  el  valor  almacenado  en  MD0  en  el  rango  entre  0  y  760,  almacenando  este  valor  en  formato  real  en  el  área  de  memoria  en  doble  palabra  MD10.  

•  Dado  que  en  el  en  las  funciones  NORM_X  y  SCALE_X  del  S7-­‐1200  es  posible  u4lizar  las  entradas  y  salidas  de  habilitación,  todo  el  proceso  puede  recogerse  en  un  solo  Network  de  la  siguiente  forma:  

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Procesado  de  señales  analógicas  •  EJEMPLO-­‐  NORMALIZADO  Y  ESCALADO  

•  Una  entrada  analógica  de  un  módulo  de  señales  analógicas  o  Signal  Board  que  usa  entrada  de  intensidad  se  encuentra  en  el  rango  de  valores  validos  entre  0  y  27648.  Suponiendo  que  una  entrada  analógica  representa  una  temperatura  en  la  que  el  valor  0  de  la  entrada  analógica  representa  -­‐30,0  grados  C  y  27648  representa  70,0  grados  C.  

•  Para  transformar  el  valor  analógico  en  las  correspondientes  unidades  de  ingeniería,  normalice  la  entrada  a  un  valor  entre  0,0  y  1,0  y  a  con4nuación  escálelo  entre  -­‐30,0  y  70,0.  El  valor  resultante  es  la  temperatura  representada  por  la  entrada  analógica  en  grados  Celsius:"  

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Procesado  de  señales  analógicas  •  FUNCIÓN  DE  CÁLCULO  DE  LA  RECTA  DE  INTERPOLACIÓN  CALCULATE  

•  La  instrucción  CALCULATE  permite  crear  una  función  matemá4ca  que  se  ejecuta  con  múl4ples  parámetros  de  entrada  para  obtener  el  resultado  en  función  de  la  ecuación  definida.  

•  La  función  es  accesible  desde  el  árbol  de  instrucciones  básicas  de  las  Task  Cards,  dentro  de  Funciones  matemá3cas,  o  bien  directamente  insertando  un  bloque  de  función  sin  definir  y  escribiendo  el  nombre  de  la  misma.    

•   La  instrucción  no  configurada  ofrece  dos  parámetros  de  entrada  y  uno  de  salida.  El  primer  paso  es  seleccionar  el  4po  de  datos  con  el  que  se  va  a  realizar  la  operación,  desplegando  el  menu  presente  en  “???”.  En  el  caso  de  realizar  escalado  de  valores  analógicos,  la  operación  debera  realizarse  en  formato  real.    

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Procesado  de  señales  analógicas  •  FUNCIÓN  DE  CÁLCULO  DE  LA  RECTA  DE  INTERPOLACIÓN  CALCULATE  

•  Posteriormente  debera  accederse  al  botón  “introducir  ecuación”  visible  en  la  figura  superior,  debiendo  introducir  la  ecuación  de  la  recta  genérica  de  interpolación  para  el  escalado  de  valores:    

•  Debera  escribirse  la  ecuación  en  el  formato  esperado  por  la  instrucción  CALCULATE,  por  lo  que  podemos  traducir  la  ecuación  anterior  a:    •  Out=((in4-­‐in5)/(in2-­‐in3))*(in1-­‐in3)+in5  

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Parám   CALCU.   Descripción  

Ov   Out   Valor  de  salida  escalado  (Output  value)  

lv   in1   Valor  de  entrada  analógico  (Input  value)  

Osh   in2   Valor  límite  superior  de  la  escala  para  el  valor  de  salida  escalado    

Osl   in3   Valor  límite  inferior  de  la  escala  para  el  valor  de  salida  escalado    

lsh   in4   Valor  límite  superior  de  la  escala  para  el  valor  de  entrada  analógico  

lsl   in5   Valor  límite  inferior  de  la  escala  para  el  valor  de  entrada  analógico  

Procesado  de  señales  analógicas  •  Con  lo  que  la  ecuación  quedará  de  la  forma:    

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•  Será  necesario  posteriormente  introducir  en  la  ecuación  a  calcular  las  áreas  de  memoria  de  donde  bien  se  toman  los  valores  (caso  de  la  entrada  analógica  y  los  valores  de  referencia  en  el  escalado)  o  bien  don  de  se  colocarán  los  valores  calculados:    

Es  fundamental  tener  en  cuenta  que  todos  los  datos  introducidos  en  la  función  CALCULATE  deben  tener  formato  real.  Si  intentamos  introducir  IW64  como  dato  analógico  de  entrada  en  in1,  será  imposible  hacerlo  de  forma  directa,  al  ser  un  entero.  Es  necesario  una  conversión  previa  de  4pos  empleando  la  función  CONVERT:  

Procesado  de  señales  analógicas  •  Una  vez  realizada  la  conversión  de  4pos  es  posible  rellenar  la  función  CALCULATE  y  obtener  el  valor  real  en  OUT  correspondiente  al  dato  real  de  medida  del  disposi4vo  conectado  a  la  entrada  analógica.    •  En  este  caso,  el  valor  unipolar  (0-­‐10V)  presente  en  la  entrada  analógica  IW64,  conver4da  

previamente  a  real  en  MD40,  lo  estamos  escalando  a  un  número  real  entre  0  y  760,  que  se  volcará  en  el  área  de  memoria  MD50.    

 

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Procesado  de  señales  analógicas  •  EJEMPLO-­‐  NORMALIZADO  Y  ESCALADO  

•  Una  salida  analógica  de  un  módulo  de  señales  analógicas  o  Signal  Board  que  usa  salida  de  intensidad  se  encuentra  en  el  rango  de  valores  validos  entre  0  y  27648.  Suponiendo  que  una  salida  analógica  representa  un  ajuste  de  temperatura  en  la  que  el  valor  0  de  la  salida  analógica  representa  -­‐30,0  grados  C  y  27648  representa  70,0  grados  C.  

•  Para  conver4r  un  valor  de  temperatura  guardado  que  se  encuentra  entre  -­‐30,0  y  70  en  un  valor  de  salida  analógica  dentro  del  rango  0  y  27648,  es  necesario,  normalizar  el  valor  correspondiente  a  un  valor  entre  0,0  y  1,0  y  a  con4nuación  escálarlo  al  rango  de  salida  analógica,  de  0  a  27648:  

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