PRÁCTICA I: Control de un cilindro neumático

1. 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 S5-95U del fabricante SIEMENS que se encuentra a su derecha. La programación del SIMATIC S5-95U se realiza desde un PC a través de un entorno de programación compatible con STEP 5: el conjunto de lenguajes (y herramientas) propietarias de SIEMENS que implementan el estándar IEC 61131 para programación de autómatas.

1.2. CUESTIONES A REALIZAR ANTES DE LA PRÁCTICA A) Descargue el entorno de desarrollo S5Win de la página MOODLE de la asignatura. Para ello copie la carpeta del servidor al disco duro y ejecute el binario S5W.exe de la distribución. El entorno corre bajo Sistemas Operativos Windows de 32 bits. En caso de que la aplicación no se ejecute correctamente instale una máquina virtual (p. ej: Virtual Box) con el sistema operativo indicado.

1

PRÁCTICA I: Control de un cilindro neumático 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) Esquema neumático de un cilindro de doble efecto controlado mediante válvula de 5 vías y dos posiciones. D) Diagrama de estados del ciclo de expansión y compresión 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) Lectura comprensiva de la sección 1.5.

1.3. ELEMENTOS DEL PUESTO DE TRABAJO La Figura 1 muestra los principales elementos de la maqueta neumática del laboratorio. Estos son: 1) Panel de neumática 

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 (o PLC, acrónimo de Programable Logic Controller) del fabricante SIEMENS: modelo SIMATIC S5-95U dotado con 16 puntos digitales de entradas y otros salidas integrados en la carcasa de serie. Está soportado por una periferia integrada con bastidor, pulsadores e interruptores, fuente de alimentación de

2

PRÁCTICA I: Control de un cilindro neumático 24V, entradas analógicas de tensión e intensidad, entradas de contador y de alarma. 3) PC para desarrollo de programas de control para el autómata: se comunica con el PLC mediante puerto RS232. 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 alumno con los componentes más relevantes.

1.4. ENTORNO DE PROGRAMACIÓN El entorno de desarrollo STEP 5 de la unidad de programación se realizará desde la aplicación para Windows S5Win, versión 2.11. Es una aplicación sencilla para Windows XP de 32 bits, que no requiere instalación y que el alumno puede copiar en el laboratorio para trabajar desde casa. Todos los ficheros que requiere la aplicación se encuentran dentro de la carpeta de nombre S5Win. Haciendo doble-clic sobre el archivo ejecutable newS5win.exe (ubicado dentro de la carpeta S5Win) o S5W.exe (según la distribución) aparece la pantalla principal del entorno, que se muestra en la Figura 2 (A).

3

PRÁCTICA I: Control de un cilindro neumático

A

4

B

Figura 2. Ventana principal (A) y de simulación (B) de S5Win

La herramienta de desarrollo permite interactuar plenamente con el autómata. Entre sus funcionalidades destacan: 

Implementación de los lenguajes previstos por la norma IEC 61131 : lista de instrucciones (alias AWL o lenguaje ensamblador), diagramas de contactos (KOP), orientado a especialistas en electricidad y diagramas de funciones lógicas (FUP) orientado a programadores de la rama de electrónica. La implementación sigue razonablemente el estándar con matices menores.



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



Mantenimiento de código mediante 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 todos los recursos del autómata (HW, estado de la memoria, valores de entradas y salidas, marcas, contadores y temporizadores etc.). Esta funcionalidad es indispensable antes de realizar pruebas de campo desde el autómata. El interfaz de usuario del simulador puede verse en la Figura 2 (B).



Monitorización y forzado de variables desde el PLC.

1.5. INTRODUCCIÓN A LA PROGRAMACIÓN DEL AUTÓMATA La programación de cualquier autómata está sujeta siempre a un conjunto de normas que el alumno deberá emplear en todas las entregas que se realicen a lo largo del curso.

PRÁCTICA I: Control de un cilindro neumático

1.5.1 Arquitectura de bloques Los lenguajes de lista de instrucciones para PLC tienen como unidad fundamental el bloque. En el entorno S5Win, la definición de bloques se realiza a través del menú VP:Editar->Crear módulo. En esta sección se describen diferentes bloques de STEP 5. BLOQUES DE ORGANIZACIÓN 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 recibe el nombre de bloque OB1 (las siglas OB son acrónimo de Organisation Block). El bloque OB1 es el punto de entrada al programa de control de 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 5, dicho bloque es el OB21. Dependiendo de la familia y modelo, el sistema operativo del autómata puede incorporar un gran número de bloques de organización adicionales. En STEP 5, por ejemplo, el bloque OB3 es el que contiene el programa controlado por el evento alarma, el OB13 es el módulo para programas controlados por tiempo y gestión de alarmas de la periferia integrada, y el módulo OB22 es el empleado por el autómata para el rearme tras el corte y recuperación del suministro eléctrico del autómata. BLOQUES INVOCADOS POR EL USUARIO Un programa para PLC debe estructurarse en bloques de usuario, distintos a los de organización; lo que facilita la depuración y mantenimiento del código, así como añade 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 5 cabe destacar los siguientes tipos de bloques: 

Bloques de programa (PB0…PB255): Permiten desdoblar el programa de usuario y estructurarlo normalmente según aspectos funcionales o tecnológicos.



Datos (DB0…DB255): El área de memoria de datos permite estructurar la información que necesita el programa de control durante la ejecución.

5

PRÁCTICA I: Control de un cilindro neumático

1.5.2 Lenguajes de programación La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC, acrónimo de International Electrotechnical Comission) ha previsto en la norma IEC-61131 un conjunto de 5 lenguajes de programación. La familia de autómatas SIMATIC S5, incluyendo el S5-95U de la práctica, se programa en STEP 5, la implementación ofrecida por SIEMENS de la norma hace unos años. Hoy en día STEP 5 ha sido substituido por la siguiente versión STEP 7, que es empleada por los autómatas modulares más modernos de las familias SIMATIC S7 y M7 (ver práctica 2). El entorno de desarrollo S5Win para STEP 5 permite escribir programas de control en los siguientes lenguajes previstos en la norma IEC 61131: 

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



Esquema de funciones (FUP): un lenguaje gráfico de símbolos lógicos orientado al personal electrónico no experto en programación.



Esquema de contactos (KOP): un lenguaje gráfico similar a los diagramas de ‘escalera’ orientado al personal de la rama eléctrica no experto en programación.

En todo momento el editor permite alternar entre las tres representaciones, siempre que sea posible, desde la ventana de edición de bloques (VE): menú VE: Representación.

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 32.1 es la imagen en memoria del sensor todo o nada conectado en la periferia integrada en esa posición).



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 32.1 en STEP 5 es la imagen del valor del actuador conectado en esa posición en la periferia integrada del S5-95U.



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 127.0 en STEP 5 direcciona el byte de memoria el primer bit del byte de memoria de marcas 127).

 

Temporizadores: Bloques de medida de tiempo (p. ej. T1) Contadores: Bloques de conteo (p. ej. Z1).

6

PRÁCTICA I: Control de un cilindro neumático 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 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. Las variables operando acceden al contenido de la memoria a través de su nombre simbólico en lo que se denomina direccionamiento directo (el operando se resuelve como el contenido de la celda de memoria que referencia). Existe un conjunto de celdas de memoria cuyo identificador está fijo en el lenguaje. Dentro de este grupo destacamos aquí las siguientes variables: 

Variables operando de entrada: referencia el área de memoria imagen de entradas (PAE) y presenta dos posibles sintaxis E < TAM > N o E .



Variables operando de salida: referencia el área de memoria imagen de salidas (PAA) y presenta dos posibles sintaxis A < TAM > N o A.



Variables internas: Referencia el área de memoria de marcas y presenta dos posibles sintaxis M N o M .. Las marcas son variables para uso interno del programa de control y no tienen reflejo directo en el proceso.

En los tres casos, TAM es una única letra que indica tamaño de la celda de memoria. Existen 3 posibles opciones para este parámetro 

B: celda de memoria de tamaño byte (8 bits)



W: celda de memoria de tamaño palabra (16 bits)



D: celda de 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 sirven para la mayor legibilidad del código y su posterior depuración y mantenimiento. En el entorno de programación S5Win, la forma de acceder al listado de de símbolos definido para el programa actual es mediante los menús Ventana->Tabla de Símbolos. Si estando activa la ventana de símbolos se pulsa con el ratón la opción Completar la columna de la izquierda contiene todas las variables empleadas en el código (p.e. A32.0) mientras que la columna de la derecha contiene el símbolo asociado (o está vacía si no ha sido definido). Editando la segunda columna se puede definir símbolos para todas las variables predefinidas.

1.5.5 Creación y edición de bloques Para crear un bloque STEP 5 desde S5Win basta con seleccionar VP:EditarCrear módulo y elegir el nombre de bloque correspondiente (OB, PB, DB). Para editar un bloque basta con hacer doble-clic sobre él desde la ventana principal y se abrirá la ventana de edición (VE).

7

PRÁCTICA I: Control de un cilindro neumático La forma general de una instrucción en ensamblador STEP 5 ocupa una línea de texto en la unidad de programación y responde al siguiente esquema (notación Backus-Naur): [] [] [] Existen 4 partes bien diferenciadas: 

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



Comentario: los comentarios de línea se escriben tras un ";". El campo es opcional; pero se recomienda su empleo en todas las instrucciones relevantes para facilitar la depuración y el mantenimiento del código. Algunos ejemplos de instrucciones válidas en AWL son:

_001: U E32.0 = M1.0

;con etiqueta ;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. La sintaxis se comprueba al finalizar cada instrucción. SEGMENTOS La gestión del código en cada bloque se divide en segmentos. Es conveniente siempre segmentar el código adecuadamente, para aprovechar las facilidades que ofrece el entorno a nivel de segmentos (comentarios, depuración etc.). En S5Win, el comando para añadir un segmento en la ventana de edición de bloque es la tecla F2. En memoria, los segmentos se guardan en una lista doblemente enlazada que puede recorrerse en ambos sentidos mediante las teclas F7 y F8. Nota: Al introducir un nuevo segmento aparece siempre un ‘;’ en la primera línea del editor; el espacio a continuación en la misma línea queda reservado para un comentario de segmento.

1.5.6 Simulación Antes de cargar los ficheros al autómata es necesario siempre realizar pruebas de simulación en la propia unidad de programación. Esto permite detectar muchos errores antes de realizar las pruebas en producción, con el consiguiente ahorro de costes. Las sesiones de simulación se realizan en S5Win lanzando la aplicación de simulación que acompaña al distribución mediante el menú VP:VentanaSoftware

8

PRÁCTICA I: Control de un cilindro neumático Simulación. Desde la interfaz de simulación primero se configuran las zonas de memoria que interesa visualizar de nuestro programa de control y posteriormente se transfieren los archivos y se ejecuta el programa (pestaña RUN). Importante: La acción por defecto de la transferencia de bloques tiene al PLC como destino. Para que se carguen en el módulo de simulación la aplicación tiene que estar en ejecución en el momento de la carga.

1.5.7 Depuración La Figura 3 muestra una típica sesión de simulación. En la parte inferior derecha se encuentra la ventana de simulación (en modo RUN). En la parte superior izquierda se ha abierto uno de los bloques del programa y se ha conectado con el simulador, lo que permite visualizar en tiempo de ejecución los valores de las variables, registros de la CPU etc. en la propia ventana de edición. Con el simulador en ejecución se puede depurar cualquier bloque seleccionándolo desde la ventana principal y eligiendo el menú VP:VentanaStatus módulo.

Figura 3. Ejemplo de sesión de simulación

1.6. EJERCICIO PRÁCTICO I: PROGRAMA "HOLA MUNDO" A modo de ejemplo, al comienzo de la práctica se recomienda la creación de un programa muy sencillo mediante los siguientes pasos: 1) Arranque el PC y abra el entorno de programación S5Win 2)

Elija VP:Editar->Crear módulo e introduzca OB1 en la casilla modulo

3)

En la primera línea escriba como comentario de bloque “Bloque principal” después del ‘;’

9

PRÁCTICA I: Control de un cilindro neumático 4)

Grabe el proyecto: VP:Modulo->Guardar y elija el nombre del fichero. Diga NO a la opción de guardar en el autómata. Observará que aparece la línea de bloque OB1 en la ventana principal (Figura 4).

Figura 4. Ventana principal que refleja el bloque OB1

5) Edite el módulo OB1 recién creado haciendo doble-clic sobre la línea de texto que lo identifica, e introduzca el código siguiente en el primer segmento: ;Bloque principal U E32.0 = A 32.0 BE

6) Guarde el programa (VP:Archivo->Guardar) y compruebe que se ha grabado satisfactoriamente. 7) Añada un símbolo a la imagen de salida A32.0. Para ello seleccione VP:VentanaTabla de Símbolos para acceder a la ventana de edición de símbolos (VT) y, dentro del menú principal de esta ventana VT:Tabla de SímbolosCompletar. Aparecerán dos columnas, la de la izquierda corresponde al nombre de la variable real y la segunda al símbolo. Cambie el nombre A 32.0 en la columna de la derecha por el símbolo que quiera (por ejemplo “Salida”) y guarde la tabla. Comprobará que ahora el editor del bloque OB1 muestra el nuevo nombre en lugar de A32.0, siempre que esté activado la representación simbólica (VE:Representación→Operando simbólico). 8) Compruebe el funcionamiento del programa en una sesión de simulación. Para ello configure adecuadamente los visores de la ventana de simulación para observar los valores de la entrada y salida empleadas en el código. Posteriormente pulse RUN y compruebe que la salida se activa tras la activación de la entrada, tal y como aparece en la Figura 5.

10

PRÁCTICA I: Control de un cilindro neumático

Figura 5. Ventana de simulación de S5Win

Para depurar el bloque OB1 selecciónelo en la ventana principal y elija VP:VentanaStatus módulo. Compruebe el valor de las variables y la información de depuración de los diferentes lenguajes gráficos al cambiar de sistema de representación mediante las teclas Ctrl+F7, Ctrl+F8 y Ctrl+F9 mientras modifica el valor de la entrada E 32.0 en la ventana del simulador. 9) Transfiera el programa al autómata. Para ello siga los siguientes pasos: 

Encienda el autómata (interruptor a ON)



Con el editor de módulo OB1 y la ventana de simulación cerrada elija la opción VP:Editar->Transferir (o Ctrl+F5). Conteste afirmativamente en las ventanas que aparezcan en pantalla.

10) Una vez transferido el programa a memoria ejecute el programa colocando el interruptor en posición de RUN (aparecerá una luz verde para indicar que está en ejecución). Compruebe que tras la activación del pulsador E 32.0 se activa el led correspondiente a la salida A 32.0 en la carcasa del autómata .

1.7. EJERCICIO PRÁCTICO II Este segundo ejercicio (junto con el ejercicio 3) deberá ser realizado obligatoriamente por el alumno para superar esta práctica. Consiste en la implementación del control de la maqueta neumática para mover el pistón del cilindro de doble efecto de la maqueta neumática. El modelado del control ha tenido que ser realizado previamente por el alumno antes de asistir a la práctica (véase sección "cuestiones a resolver antes de la práctica"). El ciclo de trabajo del cilindro se compone de las maniobras de expansión y compresión consecutivas. El sistema deberá funcionar en modo automático tras activarse el pulsador de marcha PON (asociado a la entrada E 32.0). A su vez, un pulsador de parada POFF detiene el pistón.

11

PRÁCTICA I: Control de un cilindro neumático Para ello habrá que realizar los siguientes pasos: 1)

Implementación del programa de control del autómata utilizando el editor S5Win. El código debe estructurarse en varios segmentos en el bloque principal OB1.

2) Simulación en el PC y depuración de errores. Se avisará al profesor de prácticas para que compruebe que el programa es correcto. 3) Montaje adecuado del conexionado del PLC a la maqueta, en función de las variables de entrada y salida elegidas en el programa. 4) Transferencia del programa al PLC y ejecución del mismo. Tras finalizar los 4 pasos se avisará al profesor de prácticas para la ejecución del programa en el PLC y mostrar la evolución correcta del cilindro en la maqueta neumática. 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. Nota importante: No se aceptará como válido ningún código que no presente módulo OB1 y módulo de arranque OB21. Tampoco se darán por buenos aquellos programas sin estados intermedios de control o 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 5 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. El código y el modelo se entregarán en papel al comienzo de la segunda práctica.

12