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PRÁCTICA I: Control de un cilindro neumático 1

11.. CONTROL DE UN CILINDRO NEUMÁTICO

1.1. OBJETIVO

El objetivo fundamental de esta práctica es iniciar al alumno en el control automático programado. Para ello se dispone de una maqueta neumática dotada de un cilindro de doble efecto. El control del cilindro de puede realizar mediante lógica cableada sobre un cuadro de relés y pulsadores situado en la parte superior de la maqueta, o se puede realizar mediante lógica programada conectando los sensores y actuadores de la maqueta al autómata SIMATIC S7-313C del fabricante SIEMENS que se encuentra a su derecha.

La programación del SIMATIC S7-313C se realiza desde un PC a través del entorno de programación STEP 7 (también conocido como Classic): el conjunto de lenguajes (y herramientas) propietarias de SIEMENS que implementan el estándar IEC- 61131-3 para la programación de autómatas.

1.2. CUESTIONES A REALIZAR ANTES DE LA PRÁCTICA

A) Descargue e instale el entorno de desarrollo STEP 7 en una máquina local. Para la obtención de dicho SW consulte a su profesor de Teoría y/o la información proporcionada en la página web de la asignatura.

El entorno STEP 7 se ejecuta en Windows 7 (32 y 64 bits), pero no en Windows 10. En caso de que la aplicación no se ejecute correctamente, instale una máquina virtual (p. ej: Virtual Box) con el sistema operativo indicado.


B) Describa brevemente los siguientes componentes de la maqueta neumática del laboratorio: regulador de presión, distribuidor, válvulas de 5 vías y dos posiciones, cilindro de doble efecto.

C) Dibuje un esquema neumático de un cilindro de doble efecto controlado mediante válvula de 5 vías y dos posiciones.

D) Dibuje el diagrama de estados o el grafcet para un ciclo de trabajo correspondiente a una expansión y compresión consecutiva del cilindro. Considere como entradas un pulsador de arranque PON y los sensores de inicio (SIC) y fin (SFC) de carrera; como salidas el actuador de expansión (EXP) y el de compresión (COMP) que actúan sobre la válvula. Asimismo considere un modo semiautomático de funcionamiento: tras cada expansión-compresión es necesario volver a activar el pulsador PON para que comience un nuevo ciclo.

E) Lea con detenimiento de los capítulos I y II del libro de la asignatura (Programación de Autómatas con STEP 7, editado por la UPM y disponible en Publicaciones; consulte la bibliografía de la asignatura). Alternativamente, consulte los manuales del fabricante disponibles en MOODLE. Implemente en el entorno de desarrollo instalado en su máquina local el programa “Hola Mundo” descrito en la sección 1.6 del libro (también en la sección 1.6 de este guión). Simule mediante la herramienta PLCSIM el programa de control y compruebe que la especificación de control funciona correctamente.

1.3. ELEMENTOS DEL PUESTO DE TRABAJO

La principales elementos de cada puesto de trabajo del laboratorio se detallan a continuación. Éstos son:

1) Panel de neumática (ver Figura 1):

• Regulador de presión de entrada: Permite regular la presión de entrada a la maqueta desde el compresor. En ningún caso dicha presión puede superar los 2 bares.

• Válvula de paso: Control todo o nada de alimentación al distribuidor. Durante los montajes la válvula siempre tiene que estar cerrada.

• Distribuidor de 6 tomas: Lleva el aire a través de 6 bocas a las diferentes válvulas.

• Cilindro de doble efecto con sensores de final de tramo de inducción y mecánicos de palanca.

• Válvulas biestables y monoestables (de dos posiciones) que llevan la señal de control a la maqueta.

• Fuente de alimentación de 24V.

• Módulo de Relés, situado en la parte superior (junto con la fuente de 24V y el módulo de pulsadores) que junto al módulo de pulsadores, permite implementar el control de la maqueta con lógica cableada.


• Módulo de pulsadores, dotado de dos pulsadores y un interruptor (ver módulo de Relés).

2) Autómata (también llamado PLC, acrónimo de Programable Logic Controller) del fabricante SIEMENS: modelo SIMATIC S7-313C dotado, entre otras cosas, con módulos de 16 puntos digitales de entradas y salidas, así como 4 puntos analógicos de 16 bits (2 de tensión y 2 de intensidad). Está soportado por una periferia integrada con bastidor, pulsadores e interruptores, fuente de alimentación de 24V, entradas analógicas de tensión e intensidad, entradas de contador y de alarma.

3) Un ordenador (PC comercial) por puesto, para el desarrollo de programas de control ejecutables por el autómata: se comunica con el PLC mediante el bus propietario MPI con un conector RS-232.

Durante la primera parte de la práctica, el profesor realizará una explicación detallada de las particularidades más relevantes de éstos componentes y la forma de trabajo segura.

Figura 1. Panel neumático a disposición del alumnado.

1.4. ENTORNO DE PROGRAMACIÓN

El entorno de desarrollo STEP 7, SIMATIC Manager, está instalado en el PC que acompaña al autómata en cada puesto. Se recomienda a todos los alumnos que durante el transcurso de la asignatura, y no sólo para estas prácticas, tengan instalado el entorno en su máquina local para que puedan crear sus propios programas de control y realizar la simulación de los mismos en remoto.

En la Figura 2 se muestran pantallazos de algunas de las ventanas típicas del entorno de desarrollo. En primer lugar aparece la ventana principal (VP), que centraliza las diferentes vistas y aplicaciones. El resto de ventanas son accesibles desde aquí.


VP: Ventana principal

VE: Ventana de edición de bloque VTS: Ventana de edición de símbolos

VSIM: Ventana de simulación VASI: Ventana asistente para la creación de un proyecto HW y SW nuevo

VCONF: Ventana de configuración del

hardware VREF: Ventana de datos de referencia

VDB: Ventana de edición de bloque de datos VLIB: Ventana de edición de librerías

Figura 2. Ventanas representativas de SIMATIC Manager.


SIMATIC Manager permite interactuar plenamente con el autómata. Entre sus funcionalidades destacan las siguientes.

• Oferta de varios lenguajes previstos por la norma IEC 61131-3: lista de instrucciones (alias AWL o lenguaje ensamblador), diagramas de contacto o escalera (KOP) orientado a especialistas en electricidad, diagramas de puertas lógicas (FUP) orientado a programadores de la rama de electrónica y diagramas grafcet (S7-Graph). La oferta sigue razonablemente el estándar IEC con matices.

• Manipulación y manejo de tablas de símbolos que facilitan la lectura del código.

• Mantenimiento de código mediante una gestión integral de segmentos y bloques.

• Depuración de errores: es posible realizar el seguimiento segmento a segmento del código, poner puntos de ruptura, forzar variables etc.

• Simulación: es posible simular muchos de los recursos del autómata (estado de la memoria, valores de entradas y salidas, marcas, contadores y temporizadores etc.). La simulación es indispensable antes de realizar pruebas de campo con el autómata. El interfaz de usuario del simulador es la aplicación PLCSIM, cuya vista principal (VSIM) puede verse en la figura anterior.

• Monitorización y forzado de variables desde el PLC.

1.5. INTRODUCCIÓN A LA PROGRAMACIÓN DEL AUTÓMATA

La programación de cualquier autómata está sujeta a un conjunto de normas que el alumno deberá emplear en todas las entregas que se realicen a lo largo del curso. A continuación se describen brevemente los elementos básicos de la arquitectura de prograamción.

1.5.1 Arquitectura de bloques Los programas para PLCs tienen como unidad fundamental el bloque. En el

entorno STEP 7, la definición de bloques se realiza pulsando con el botón derecho del ratón en la parte derecha de la ventana principal (VP) y seleccionando Insertar nuevo objeto.

BLOQUES DE ORGANIZACIÓN (OB)

Los bloques de organización son siempre ejecutados por el sistema operativo que gobierna el autómata, nunca por el programador. En cualquier autómata existe un bloque denominado ‘principal’ cuya ejecución es cíclica. Esto quiere decir que al terminar la última instrucción de dicho bloque comienza un nuevo ciclo de ejecución, previa lectura de las entradas en ese instante y actualización de la imagen de las


salidas. El nombre del bloque principal puede cambiar según la familia y modelo de autómata. Para autómatas SIEMENS, y a partir de la familia S7-300, recibe el nombre de bloque OB1 (las siglas OB son el acrónimo de Organization Block). El bloque OB1 es el punto de entrada al programa de control del usuario.

Otro bloque fundamental en cualquier programa es el bloque de arranque que, a diferencia del bloque principal, se ejecuta una sola vez al pasar el autómata a modo de ejecución (RUN). En este bloque se colocan instrucciones de inicialización de las variables a emplear en el resto del programa. En el caso de STEP 7, dicho bloque es el OB100. Existen bloques de organización adicionales ejecutados por el sistema operativo ante determinados eventos, como por ejemplo, alarmas programadas, temporizaciones, errores de ejecución etc.

BLOQUES INVOCADOS POR EL USUARIO (FB, FC)

Un programa complejo de control puede y debe estructurarse en otros bloques de código distintos a los de organización. Esto facilita la depuración y mantenimiento del código, mejorando también su legibilidad. Al igual que los bloques de organización, los nombres de estos bloques adicionales varían entre familias y modelos de autómatas. En el caso de STEP 7 se dispone de los bloques sin memoria (FC) y los bloques con memoria (FB).

BLOQUES DE DATOS (DB)

El área de memoria de datos permite, entre otras cosas, estructurar los parámetros de la especificación de control de una manera ordenada, lo que facilita el mantenimiento del código y lo hace más flexible a cambios. En el caso de STEP 7, el área de memoria RAM para datos se direcciona con los bloques de tipo DB (acrónimo de Data Blocks).

1.5.2 Lenguajes de programación El entorno de desarrollo SIMATIC-MANAGER para STEP 7 permite escribir

programas de control en los siguientes 4 lenguajes previstos en la norma IEC 61131-3:

• Lista de instrucciones (AWL): lenguaje ensamblador de SIEMENS, subyacente al resto.

• Diagramas de puestas lógicas (FUP): lenguaje gráfico de símbolos lógicos orientado al personal electrónico no experto en programación.

• Diagramas de escalera o contactos (KOP): lenguaje gráfico orientado al personal de la rama eléctrica no experto en programación, que tiene cierto parecido con los esquemas de contactos tradicionales.

• Diagramas grafcet (S7-Graph): La programación consiste en un dibujo grafcet que representa la especificación de control.

En todo momento el editor permite alternar entre las tres representaciones, siempre que sea posible (Ventana de edición de bloques (VE): menú Ver, o también el atajo de teclas CTRL + 1, CTRL + 2 y CTRL + 3).


1.5.3 Direccionamiento de memoria: variables Existen un conjunto de variables predefinidas en la memoria RAM de cualquier

autómata. Adicionalmente, y dependiendo del modelo, también es posible definir variables y tipos de variable de usuario. Entre las variables predefinidas más importantes en cualquier autómata destacan:

• Entradas: Variables (imagen) de los sensores conectados al sistema a controlar Existe una correspondencia con los módulos de entradas conectados a la periferia del autómata (por ejemplo, la variable E 124.0 es la imagen en memoria del sensor todo o nada conectado en la periferia integrada en el borne correspondiente).

• Salidas: Variables (imagen) de las señales, que actúan sobre el sistema a controlar. Existe una correspondencia con los módulos de salidas conectados a la periferia del autómata. Como ejemplo, la variable A 124.0 en STEP 7 es la imagen en memoria del valor del circuito actuador conectado en esa posición en la periferia integrada del S7-313C.

• Marcas: Variables de propósito general que típicamente memorizan parte del estado de control y no tienen reflejo en el sistema controlado. Como ejemplo, la marca M 3.0 en STEP 7 direcciona el byte primer bit del byte 3 del área de marcas de la memoria RAM del S7-313C).

Como complemento a las anteriores, STEP 7 ofrece además operaciones de temporización y contaje predefinidas en la arquitectura de programación:

• Temporizadores: Contadores predefinidos para medir tiempo y configurables desde la zona de memoria RAM del área temporización (p. ej. T1).

• Contadores: Contadores predefinidos para el contaje y configurables desde la zona de memoria RAM del área contaje (p. ej. Z1).

La nomenclatura empleada por SIEMENS para el área de memoria de entradas y salidas del PLC es PAE y PAA respectivamente (la letra E es la inicial de la palabra eingang, 'entrada' en alemán, y la A de ausgang que quiere decir 'salida'). Para la periferia integrada, SIEMENS emplea los símbolos PE y PA: módulos de entrada y salida respectivamente. Como se ha mencionado con anterioridad, cada punto físico de conectividad de la periferia tiene una correspondencia en un área de memoria RAM de entradas o salidas, que se conoce como imagen.

La sintaxis específica para las variables que direccionan el área de memoria RAM de entradas, salidas y marcas es la siguiente.

• Variables para entradas: referencian el área de memoria imagen de entradas desde la periferia PAE y presenta dos posibles sintaxis E<B/W/D> < nº de byte> ó E< nº de byte>.< nº de bit>. Ejemplos válidos son E124.0 o EB124.

• Variables para salidas: referencian el área de memoria imagen de salidas de la periferia PAA. Presentan dos posibles sintaxis: A<B/W/D> < nº de byte>


para variables de más de un bit, y A<nº de byte>.< nº de bit> para valores binarios. Ejemplos válidos son A 124.0 o AD124.

• Variables internas: referencian el área de memoria de marcas. Presentan dos posibles sintaxis: M<B/D/W> < nº de byte> para marcas de más de un bit, y M< nº de byte>.< nº de bit> para valores binarios. Las marcas son variables para uso interno del programa de control y no tienen reflejo directo en los componentes del proceso controlado. Ejemplos válidos son M125.0 o MW 125.

En los tres casos, las siglas B, W o D son cuantificadores de tamaño en memoria de más de un bit. En concreto:

• B: referencia un espacio en memoria de tamaño byte (8 bits)

• W: referencia un espacio en memoria de tamaño palabra (16 bits)

• D: referencia un espacio en memoria de tamaño doble palabra (32 bits).

1.5.4 Tabla de símbolos Los símbolos son un recurso fundamental en la programación del autómata que

mejoran tanto la legibilidad del código como su posterior depuración y mantenimiento. Un símbolo es un alias para una variable. En el entorno de programación SIMATIC Manager, se accede a la tabla de símbolos definida para el programa desde la Ventana de Edición de Bloques (VE): menú Herramientas →Tabla de Símbolos. El editor de símbolos permite realizar operaciones complejas como completar, ordenar, insertar o eliminar símbolos de una manera cómoda. Recuerde el alumno que todo programa de control debe tener símbolos para todas las variables importantes. El acceso a una posición en memoria mediante un símbolo (en lugar de una dirección física como E 124.0) se denomina direccionamiento simbólico.

1.5.5 Creación y edición de bloques Como se ha indicado anteriormente, cualquier bloque STEP7 se crea desde la

ventana principal (VP) del SIMATIC Manager: basta con pulsar el botón derecho del ratón sobre la parte derecha de la ventanta y seleccionar Insertar nuevo objeto. Para editar un bloque basta con hacer doble-clic sobre él desde la VP y se abrirá la ventana de edición (VE).

INSTRUCCIONES

Una instrucción genérica en AWL ocupa una línea de texto en la unidad de programación con 4 campos (en notación Backus-Naur):

[<ETIQUETA><:>] <OPERADOR> [<OPERANDOS>] [<//><COMENTARIO>]

Los 4 campos se describen brevemente a continuación.

• Etiqueta: es una cabecera opcional que identifica a la propia instrucción y permite definir saltos en la ejecución dentro de cada bloque de código.


• Operador: nemónico que indica la tarea a realizar sobre los operandos, a los que precede. Es el único campo obligatorio.

• Operandos: los argumentos explícitos del operador, típicamente variables de direccionamiento directo o simbólico. El operador puede tener también uno o varios argumentos implícitos, como registros de la ALU (RLO, Acumuladores, registros de direcciones etc.). Cuando todos los argumentos del operador son implícitos el campo queda vacío.

• Comentario: los comentarios de línea se escriben tras una doble barra "//". El campo es opcional, pero se recomienda comentar todas las instrucciones relevantes para facilitar la depuración y el mantenimiento del código.

Ejemplos de instrucciones válidas en AWL son: _001: U E124.0 //con etiqueta = M3.0 //sin etiqueta

A la hora de escribir cada instrucción, el entorno de desarrollo realiza automáticamente los sangrados necesarios; pero hay que separar cada campo con al menos un espacio. Todos los lenguajes ofertados por el entorno de desarrollo son interpretados; la sintaxis se analiza y comprueba al finalizar cada instrucción. En caso de haber algún error sintáctico la línea entera correspondiente a la instrucción errónea se muestra en rojo.

SEGMENTOS

La gestión del código en cada bloque se divide en segmentos. Es siempre conveniente segmentar el código adecuadamente, lo que permite aprovechar las facilidades de edición y depuración que ofrece el entorno para segmentos. En el SIMATIC Manager, el atajo de teclas para insertar un segmento nuevo desde la ventana de edición de bloque (VE) es CTRL + R. En el interfaz, los segmentos aparecen como una lista doblemente enlazada que puede recorrerse en ambos sentidos mediante las flechas arriba y abajo del teclado.

1.5.6 Simulación y depuración Antes de cargar el programa de control al autómata es necesario siempre hacer

pruebas simuladas en la propia unidad de programación. Esto permite detectar muchos errores antes de realizar las pruebas en campo con el consiguiente ahorro de costes.

Las sesiones de simulación se realizan en la aplicación PLCSIM que acompaña al distribución del SIMATIC Manager. PLCSIM se llama desde la Ventana Principal (VP): menú Herramientas Simular Módulos. En una sesión de simulación primero se configura la organización (o lay-out) para visualizar las zonas de memoria que interesan de nuestro programa de control. Posteriormente se transfieren los bloques de código y finalmente se ejecuta el programa (casilla RUN del PLCSIM), como si se tratara de un autómata comercial.


Importante: La acción por defecto de la transferencia de bloques desde la Ventana Principal del SIMATIC Manager, tiene al PLC como destino. Para que los bloques se transfieran al módulo de simulación la aplicación PLCSIM tiene que estar en ejecución en el momento de la carga.

La Figura 3 muestra un ejemplo se sesión de simulación ya configurada. En la parte superior derecha se encuentra la ventana de control CPU (en modo STOP). El lay-out contiene ventanas de visualización de los bytes EB124, MB1 y AB124, así como del temporizador T1. En cualquier momento se puede almacenar la configuración actual mediante el menú ArchivoGuardar Organización, que genera un archivo *.lay.

Importante: El archivo de configuración *.lay debe acompañar siempre a la solución SIMATIC en su distribución.

Figura 3. Ejemplo de sesión de simulación PLCSIM.

PLCSIM dispone de múltiples herramientas para la simulación y depuración del código. Entre otras facilidades, puede sincronizarse en caliente con cualquier bloque de código (desde la Ventana de Edición de dicho bloque en el SIMATIC Manager), y ofrece trazabilidad segmento a segmento e instrucción a instrucción de las variables del programa. A modo de ejemplo, la Figura 4 muestra una animación mediante colores de la ventana de edición del bloque OB1 cuando se acaba de activar la entrada "sensor" desde el PLCSIM.

Figura 4. Ejemplo de sesión de depuración desde un bloque de edición sincronizado con PLCSIM.


1.6. EJERCICIO PRÁCTICO I: PROGRAMA "HOLA MUNDO"

Implemente y simule correctamente en el aula de prácticas el programa denominado “Hola Mundo”, estudiado en las cuestiones previas a la práctica (sección 1.2, punto E). Este programa tan sencillo permite controlar un actuador digital mediante una entrada digital y se realiza en un único segmento del bloque principal OB1. El código se muestra a continuación: //Bloque principal OB1 //segmento 1 U E124.0 = A124.0

En la maqueta neumática, este programa puede emplearse para determinar la posición de una válvula electro-neumática a partir de la activación de un pulsador.

Importante: El lay-out de la sesión de simulación debe incluir obligatoriamente la correcta visualización de todos los símbolos empleados.

La Figura 5 muestra una posible organización de la sesión PLCSIM para el programa “Hola Mundo”. Los símbolos “Sensor” y “Actuador” hacen referencia a la entrada digital con imagen en E 124.0 y la salida digital con imagen en A 124.0 respectivamente. Cuando termine, avise a su profesor de prácticas para que valide la organización de la sesión y su correcto funcionamiento.

A continuación, configure el PLC S7-313C correctamente como hardware para la solución STEP 7 (avise al profesor si fuera necesario) y cargue el programa de control “Hola Mundo” en el PLC. Compruebe vía los leds de los módulos de entrada/salida digitales que el programa se ejecuta correctamente en el autómata.

Finalmente, cablee el borne etiquetado como A 124.0 del entrenador a un lado de la válvula electro-neumática de la maqueta y compruebe que luce el led del cable conector tras la activación del pulsador E124.0 en el entrenador.

Figura 5. Ejemplo de correcta organización de la sesión de simulación en PLCSIM.

1.7. EJERCICIO PRÁCTICO II

Este segundo ejercicio (junto con el Ejercicio III) deberá ser realizado obligatoriamente por el alumno para superar esta práctica. Consiste en el desarrollo e implementación de una especificación de control sencilla sobre la maqueta neumática que mueva el cilindro de doble efecto. El modelado del control ha tenido que ser realizado previamente por el alumno antes de asistir a la práctica (véa la sección 1.2).


El ciclo de trabajo del cilindro se compone de las maniobras de expansión y compresión ejecutadas de manera consecutiva. El sistema funciona en modo automático tras activarse un pulsador de marcha PON (asociado a la entrada E 124.0). A su vez, un pulsador de parada POFF (asociado a la entrada E 124.1) detiene el pistón tras finalizar el ciclo.

Para ello es necesario realizar los siguientes pasos:

1) Implementación de la especificación descrita en el entorno de desarrollo STEP 7 (en lenguaje ensamblador AWL). El código debe estructurarse en varios segmentos en el bloque principal OB1 y un único segmento en el bloque de arranque OB100.

2) Simulación en el PC y depuración de errores con la herramienta de simulación PLCSIM que acompaña la distribución del entorno STEP 7. Terminada la depuración se avisará al profesor de prácticas para que compruebe que el programa es correcto.

3) Conexionado del PLC a la maqueta, de acuerdo con las entradas y salidas de control elegidas en el programa.

4) Transferencia del programa de control al PLC, a través del bus MPI, y ejecución del mismo.

Tras finalizar los 4 pasos se avisará al profesor de prácticas para que compruebe la evolución correcta del cilindro en la maqueta neumática de acuerdo con la especificación.

La versión definitiva del código debidamente comentado, junto con el modelo empleado para la realización del programa y la tabla de símbolos se entregarán al comienzo de la siguiente práctica. La distribución del programa de control se hará mediante la herramienta Archivar (Ventana principal (VP): menú Archivo → Archivar) que genera un archivo *.zip con todas las carpetas del proyecto. Antes, debe añadirse al proyecto un archivo *.lay con la organización de la sesión de simulación (PLCSIM: menú Archivo → Guardar Organización). De esta manera se puede reconstruir automáticamente la configuración de ventanas de la sesión de simulación empleada en el proyecto.

Importante: No se aceptará como válido ningún código que no presente los módulos OB1 y OB100. Tampoco se darán por buenos aquellos programas sin estados intermedios de control ó que no empleen el área de memoria de marcas.

1.8. EJERCICIO PRÁCTICO III

Como ejercicio complementario a realizar fuera del horario de prácticas se pide:

Modelado grafcet e implementación en STEP 7 del control de dos cilindros de doble efecto con pulsador de arranque (PON) y parada (POFF). La secuencia completa del ciclo debe ser EXPANSION1-EXPANSIÓN2-COMPRESIÓN1-COMPRESIÓN2.

La solución STEP 7 y el diagrama grafcet se entregarán en papel al comienzo de la segunda práctica.

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