Universidad de Costa Rica Facultad de Ingenier´ıa Escuela de Ingenier´ıa El´ ectrica

Dise˜ no e implementaci´ on de una interfaz electr´ onica para pruebas con controladores l´ ogico programables

Por: Alejandro Daniel Cruz Jim´ enez

Ciudad Universitaria “Rodrigo Facio”, Costa Rica Julio de 2014

Dise˜ no e implementaci´ on de una interfaz electr´ onica para pruebas con controladores l´ ogico programables

Por: Alejandro Daniel Cruz Jim´enez

IE-0499 Proyecto el´ ectrico Aprobado por el Tribunal:

Dr. Jos´e David Rojas Fern´andez Profesor gu´ıa

M.Sc. Teodoro Willink Castro Profesor lector

Dr. Orlando Arrieta Orozco Profesor lector

Resumen El presente proyecto presenta una forma de manejo para las se˜ nales de comunicaci´ on entre un Arduino Uno y un PLC S7 1200 de la marca Siemens. La idea es utilizar el Arduino como una tarjeta de adquisici´on de datos para un computador en el cual se emula una planta industrial virtual. De manera que con el PLC se pueda controlar la planta virtual, permitiendo a los estudiantes del curso Automatizaci´on Industrial practicar sin necesidad de tener una planta real. Para poder conectar el PLC con el Arduino la principal dificultad es la diferencia de tensi´ on entre las se˜ nales de cada uno de los equipos. Para solucionar el problema de la diferencia de tensi´on de las se˜ nales se exponen tres soluciones en el sentido de comunicaci´on Arduino - PLC: dos utilizando dos distintos tipos de rel´e y una tercera opci´on la cual es un dise˜ no propuesto utilizando opto-acopladores. En el sentido de comunicaci´on PLC - Arduino se presenta un dise˜ no en el cual se utiliza una configuraci´on de amplificadores operacionales mono polares junto con el uso de opto-acoples. Como parte de las pruebas realizadas en el proyecto se prueban los circuitos dise˜ nados en una protoboard. Se implementa tambi´en en una tarjeta perforada el circuito dise˜ nado para la comunicaci´on en sentido PLC - Arduino, al cual se le realizan sus respectivas pruebas de funcionamiento con una fuente DC. Se arma el conjunto PLC - Arduino con la tarjeta implementada y con 6 rel´es para probar el funcionamiento y el desempe˜ no de la tarjeta implementada. Se concluye que el dise˜ no con opto-acopladores es menos pr´actico pero m´as robusto que usar rel´es para la implementaci´on de la interfaz de comunicaci´on.

v

´Indice general ´ Indice de figuras

viii

´ Indice de cuadros

ix

Nomenclatura

xi

1 Introducci´ on 1.1 Descripci´ on general . 1.2 Alcance del proyecto 1.3 Objetivos . . . . . . 1.4 Metodolog´ıa . . . . .

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2 Antecedentes 2.1 Proyecto El´ectrico: Creaci´on de plantas virtuales 2.2 Controladores l´ogico programables . . . . . . . . 2.3 Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Hardware in the Loop . . . . . . . . . . . . . . .

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1 1 1 1 2

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5 5 6 8 10

3 Dise˜ no de la interfaz electr´ onica 13 3.1 Caracter´ısticas y especificaciones del dise˜ no . . . . . . . . . . . 13 3.2 Dise˜ no interfaz sentido de comunicaci´on Arduino - PLC . . . . 14 3.3 Dise˜ no interfaz sentido de comunicaci´on PLC - Arduino . . . . 20 4 Implementaci´ on de la interfaz electr´ onica y resultados 27 4.1 Dise˜ no del layout de la interfaz electr´onica para una PCB . . . 27 4.2 Implementaci´ on y pruebas al dise˜ no . . . . . . . . . . . . . . . 33 5 Conclusiones y recomendaciones

45

Bibliograf´ıa

47

A Disposici´ on de los pines digitales del Arduino seg´ un Ruiz para cada planta

49

B Esquem´ atico del Electronic Brick of Relay

51

C Esquem´ atico del 2 Channel 5 V Relay

53

vii

´Indice de figuras 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Diagrama del proceso tanques en cascada. (7) . . . . . Diagrama del proceso con doble bomba. (7) . . . . . . Esquema del cruce vehicular controlado por sem´aforos. Vista frontal del S7-1200. (8) . . . . . . . . . . . . . . Vista superior del Arduino Uno. (2) . . . . . . . . . .

. . . . . . (7) . . . . . . .

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6 7 8 9 10

Diagrama de bloques para la implementaci´on de la interfaz . . . . Vista superior del Electronic Brick of Relay. (1) . . . . . . . . . . . Fotograf´ıa del 2 Channels 5 V relay module. (4) . . . . . . . . . . . Diagrama de conexi´ on del NTE3221. (NTE Inc.) . . . . . . . . . . Dise˜ no del sentido de comunicaci´on Arduino - PLC . . . . . . . . . Resultado de la simulaci´ on del sentido de comunicaci´on PLC - Arduino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7 Diagrama de idea b´ asica para la comunicaci´on PLC - Arduino. . . 3.8 Diagrama de conexi´ on del LM324. (10) . . . . . . . . . . . . . . . . 3.9 Amplificador sumador en DC para el LM324. (10) . . . . . . . . . 3.10 Esquem´ atico de la conexi´ on del NTE987 al emisor del NTE3221. . 3.11 Esquem´ atico de la conexi´ on del receptor del NTE3092 al pin de entrada del Arduino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.12 Resultado de la simulaci´ on del sentido de comunicaci´on PLC - Arduino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14 15 17 18 19

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9

Layout de la PCB dise˜ nada para la implementaci´on de la interfaz electr´ onica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Layout de las pistas de la PCB dise˜ nada. . . . . . . . . . . . . . . Layout de la distribuci´ on para las tarjetas perforadas. . . . . . . . Tarjeta implementada para la comunicaci´on PLC - Arduino. . . . . Diagrama de contactos de la prueba realizada al sistema PLC Tarjeta - Arduino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Esquema l´ ogico de la prueba realizada al sistema PLC - Tarjeta Arduino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nombramiento de los pines del Arduino, desde LabVIEW, como entradas y salidas seg´ un correspondiera. . . . . . . . . . . . . . . . L´ ogica combinacional y llamado de las entradas para determinar los estados de las salidas del Arduino. . . . . . . . . . . . . . . . . Front panel del esquema programado en LabVIEW para las pruebas. viii

20 21 21 22 23 25 26

29 30 37 38 40 40 41 42 42

4.10 Conexi´ on de la tarjeta implementada con el Arduino Uno y el S7 1200. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

´Indice de cuadros 2.1 2.2

Caracter´ısticas t´ecnicas de importancia del S7 1200 (8) . . . . . . . Caracter´ısticas t´ecnicas de importancia del Arduino Uno (2) . . . .

3.1

Caracter´ısticas t´ecnicas de importancia del Electronic Brick of Relay (1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Caracter´ısticas t´ecnicas de importancia del 2 Channels 5 V relay module (4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Caracter´ısticas t´ecnicas de importancia del NTE3221 (NTE Inc.) . Caracter´ısticas t´ecnicas de importancia del LM324 (10) . . . . . .

3.2 3.3 3.4 4.1

9 10

16 17 18 22

Lista de precios de los componentes para la tarjeta dise˜ nada, primer sentido de comunicaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lista de precios de los componentes para la tarjeta dise˜ nada, primer sentido de comunicaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Costos totales para la implementaci´on de una tarjeta . . . . . . . . Resistencias medidas de los resistores para pruebas de dise˜ no . . . Resultados de prueba a la tarjeta con fuente DC . . . . . . . . . .

32 33 34 39

A.1 Conexi´ on Pines digitales del Arduino planta con tanques en serie (7). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.2 Conexi´ on Pines digitales del Arduino sistema de doble bomba (7). A.3 Conexi´ on Pines digitales del Arduino control tr´afico vehicular (7).

49 50 50

4.2 4.3 4.4 4.5

ix

31

Nomenclatura AC

corriente alterna.

E.B.

Bloque electr´onico.

DC

corriente directa.

LED

diodo emisor de luz.

M

neutro del PLC.

NA

Normalmente Abierto.

NC

Normalmente Cerrado.

P CB

Printed Circuit Board.

P LC

controlador l´ogico programable.

TTL

l´ ogica transistor transistor.

V AC

volts de corriente alterna.

V CC

alimentaci´on positiva de potencia.

V DC

volts de corriente directa.

xi

1

Introducci´ on

1.1

Descripci´ on general

El presente proyecto es la segunda parte del desarrollo de una herramienta para el curso de Automatizaci´on Industrial de la Escuela de Ingenier´ıa El´ectrica. En la primera parte, en el proyecto el´ectrico: ”Creaci´on de plantas virtuales para pruebas de control de eventos discretos” (7), se dise˜ naron plantas industriales virtuales con LabVIEW. La segunda parte consisti´o en el desarrollo e implementaci´on de una interfaz electr´ onica que permiti´o conectar un PLC a una computadora, de manera que con dicho PLC se pueda realizar el control de un proceso industrial usando una planta virtual programada en la computadora.

1.2

Alcance del proyecto

Para que los PLC se conecten a una planta virtual programada en una computadora, se utilizar´ a un Arduino que funcionar´a como interfaz entre LabVIEW y el PLC. Sin embargo, las se˜ nales de tensi´on del Arduino y del PLC son distintas. Por lo cual fue necesario realizar una interfaz que permitiera conectar y comunicar ambos dispositivos sin que se presentaran problemas que pudiesen afectarlos. La idea por la que nace este proyecto es permitir a los estudiantes que cursen Automatizaci´ on Industrial, poder emular el control de plantas industriales sin que sea necesario tener una planta real. De manera que se logre evitar todos los posibles problemas y da˜ nos, que podr´ıa involucrar el uso de una planta industrial real en el proceso de aprendizaje. La intefaz se dise˜ n´ o para la comunicaci´on entre un Arduino Uno y el controlador S7-1200. Esto sin ser el PLC irremplazable, ya que se podr´ıa usar otro modelo siempre y cuando utilice los mismos niveles de tensi´on que el S7-1200.

1.3

Objetivos

Objetivo general Dise˜ nar e implementar un circuito electr´onico que sirva como interfaz entre un PLC y una computadora que est´e ejecutando una emulaci´on de una planta 1

2

1 Introducci´on

industrial con LabVIEW, para realizar pruebas de laboratorio en el curso de Automatizaci´ on Industrial.

Objetivos espec´ıficos Para el desarrollo de este proyecto se establecieron los siguientes objetivos: • Investigar sobre los requisitos t´ecnicos que deben tener los puertos de se˜ nales de entrada y salida para conectarse con el controlador S7-1200. • Dise˜ nar un sistema electr´ onico que permita conectar una computadora que est´e ejecutando un programa de emulaci´on de plantas virtuales en LabVIEW y el controlador S7-1200. • Dise˜ nar la disposici´ on del circuito de manera que pueda ser implementado en una tarjeta impresa (PCB). • Crear uno de estos circuitos y conectarlo a la computadora a trav´es del Arduino uno. • Realizar pruebas para validar su funcionamiento con un S7-1200. • Documentar el dise˜ no de manera que pueda tambi´en ser implementado en el futuro. • Crear un sitio web o un wiki que contenga la documentaci´on del desarrollo del proyecto.

1.4

Metodolog´ıa

Para el desarrollo del presente proyecto se siguieron los siguientes pasos y procedimientos, listados en secuencia: 1. Determinaci´ on de las especificaciones t´ecnicas requeridas para la comunicaci´ on entre el PLC S7-1200 y el Arduino Uno. 2. Desarrollo del dise˜ no preliminar de la interfaz electr´onica que permita la comunicaci´ on entre el S7-1200 y la computadora. 3. Evaluaci´ on de la eficacia del dise˜ no elegido y an´alisis de posibles mejoras. 4. Dise˜ no de la interfaz de manera que se pueda implementar en una tarjeta impresa (PCB). 5. Creaci´ on de la interfaz y verificaci´on del funcionamiento y cumplimiento de los requisitos electr´ onicos.

1.4. Metodolog´ıa

3

6. Verificaci´ on del funcionamiento de la tarjeta al conectarla con el S7-1200 y una computadora emulando una planta virtual en LabVIEW. 7. Documentaci´ on de la informaci´on del dise˜ no. 8. Creaci´ on de un sitio web o un wiki el cual contenga la informaci´on del dise˜ no.

2

Antecedentes

2.1

Proyecto El´ ectrico: Creaci´ on de plantas virtuales para pruebas de control de eventos discretos

El presente proyecto es la continuaci´on del desarrollo de una herramienta educacional para el curso de Automatizaci´on Industrial impartido en la Escuela de Ingenier´ıa El´ectrica de la Universidad de Costa Rica. La idea de ambos proyectos es controlar una planta industrial virtual (programada en una computadora) con el PLC Siemens S7 1200. Dicha primer etapa fue realizada en el Proyecto El´ectrico de Luis Alonso Ruiz: Creaci´ on de plantas virtuales para pruebas de control de eventos discretos. En el cual se programaron tres distintas plantas virtuales, implementadas en LabVIEW, que emulan plantas industriales reales (7). La comunicaci´on de la computadora con el PLC se decidi´o que fuera a trav´es de un Arduino Uno. Al desarrollar las plantas virtuales con comunicaci´on a trav´es del Arduino, Ruiz determin´ o la funci´ on de los pines digitales para cada una de las plantas. De manera que para una planta se utiliza un pin como entrada pero para otra planta se puede utilizar el mismo pin como salida. La definici´on de cada pin seg´ un la planta se presenta en el anexo A.

Sistema de dos tanques en cascada La primera planta que se dise˜ na para una futura emulaci´on consiste en un modelo para un sistema de dos tanques en cascada. El dise˜ no de los par´ametros de la planta se bas´ o en el tiempo de espera que tendr´an los estudiantes al realizar el experimento de control. As´ı que el proceso es lo suficientemente lento para observar su comportamiento y a la vez permite que los estudiantes no tengan que esperar por mucho tiempo para alcanzar un nuevo estado estacionario. La idea del sistema es controlar los niveles de los tanques, manipulando los caudales de entrada. En la Figura 2.1 se presenta el diagrama del proceso.

Planta con doble sistema de bombeo Esta planta est´ a dise˜ nada para el control de un sistema de eventos discretos. En este caso se tiene un u ´nico tanque donde su nivel se controla mediante dos bombas. Adem´ as, este presenta perturbaciones las cuales emulan un estado de 5

6

2 Antecedentes

Figura 2.1: Diagrama del proceso tanques en cascada. (7)

emergencia. Este proceso tambi´en controla el nivel del tanque a partir de la modificaci´ on de los caudales de entrada. El tanque presenta dos salidas normales y una salida m´ as, la cual es de emergencia. Dicha salida de emergencia es la que representa la perturbaci´on al sistema. En la Figura 2.2 se presenta la ilustraci´ on del proceso de la planta.

Control tr´ afico vehicular Ruiz desarroll´ o esta planta para que el estudiante controle el tr´afico vehicular en un cruce vial con paso de peatones presente y sem´aforos inteligentes. Adem´as le agreg´ o sensores de presencia de autom´oviles para as´ı poder junto con la se˜ nal del paso peatonal controlar el orden l´ogico de las luces de los sem´aforos inteligentes seg´ un sea la demanda de paso. Por lo cual las salidas del sistema de control ser´ an las luces de los sem´aforos. En la Figura 2.3 se presenta el cruce vial junto con los sem´ aforos y los pasos peatonales.

2.2

Controladores l´ ogico programables

Con el desarrollo de los sistemas industriales en especial desde el siglo XX, se presentaron necesidades de control cada vez m´as complejas. Dichas necesidades en muchos de los casos, un humano, no las pod´ıa cumplir o representaban un esfuerzo grupal muy grande. Algunos de los problemas estaban relacionados a el tiempo de la respuesta de reacci´on o cumplir con tiempos m´aximos de

2.2. Controladores l´ ogico programables

7

Figura 2.2: Diagrama del proceso con doble bomba. (7)

desplazamiento de un punto de la planta a otro. Debido a esto el ser humano se vi´ o en la necesidad del desarrollo de sistemas de control para las plantas industriales (5). Todo esto llev´o a la creaci´on de los aut´omatas programables tambi´en conocidos como controladores l´ogicos programables. Las siglas PLC, del ingl´es: ”programmable logic controller”, realmente son una marca registrada por Allan-Bradley Co. (actualmente Rockwell Automation). Sin embargo debido a su gran uso, desde la misma Allen Bradley hasta aut´ omatas programables de otras marcas, se lleg´o a referir a estos como PLC. De manera que PLC termina siendo un nombre gen´erico (3). Los PLC son controladores basados en un procesador digital que realiza una acci´ on sobre los estados de salida del sistema de control a partir de las directrices dadas por una secuencia l´ogica programada, la cual empieza su proceso a partir del estado de las entradas del sistema de control (5). Su estructura est´ a b´ asicamente dividida en dos sistemas: el sistema de entradas/salidas y el sistema de la unidad central.

PLC Siemens: S7 1200 En el presente proyecto, se utiliza el PLC S7 1200 de Siemens que pertenece a la familia de productos Simatic.

8

2 Antecedentes

Figura 2.3: Esquema del cruce vehicular controlado por sem´aforos. (7)

El S7 1200 se usa mayoritariamente para controlar aplicaciones de gama baja. La CPU se encuentra conformada por un micro procesador el cual es el encargado de procesar la l´ ogica programada para el control de los sistemas. A su vez tambi´en est´ a compuesta por una fuente de alimentaci´on integrada, circuitos de entrada y salida digitales as´ı como entradas anal´ogicas. Para su funcionamiento se carga el programa con la l´ogica de control, la cual una vez instalada en el CPU permite, a partir de sus conexiones, detectar el estado de las entradas y as´ı cambiar el estado de las salidas dependiendo de lo que indique la l´ ogica del programa de control (8). Existen tres modelos para el CPU del S7-1200, el modelo con el que se trabajar´ a es el CPU 1214C. En el cuadro 2.1 se presenta un resumen de las caracter´ısticas t´ecnicas de importancia del S7 1200. En la Figura 2.4 se presenta un ejemplar del S7 1200 desde su vista frontal junto con la se˜ nalizaci´on de algunas de sus conexiones.

2.3

Arduino

Arduino es una plataforma electr´onica de prototipos de uso libre basada en un microcontrolador en una placa, y un entorno de desarrollo para programar software en la placa. El microcontrolador puede ser programado para trabajar en aislado o en comunicaci´ on con una computadora (2). Existen diversos modelos de plataformas Arduino, en el presente proyecto se trabaj´o con el modelo Arduino Uno. La elecci´ on del Arduino Uno fue debido a la facilidad de comunicaci´ on entre el Arduino Uno y LabVIEW (7).

2.3. Arduino

9

Figura 2.4: Vista frontal del S7-1200. (8)

Cuadro 2.1: Caracter´ısticas t´ecnicas de importancia del S7 1200 (8)

Caracter´ıstica

CPU 1214C

Tensi´ on de Alimentaci´on Cantidad entradas digitales integradas Tensi´ on Nominal entradas digitales Consumo corriente entradas digitales Se˜ nal 1 l´ ogica (m´ınimo) Se˜ nal 0 l´ ogica (m´aximo) Salidas digitales integradas Tipo salidas Rango de tensi´on salidas Entradas anal´ ogicas integradas Salidas PWM

85 V AC - 264 V AC 14 24 V DC 4 mA 15 V DC (2,5 mA) 5 V DC (1 mA) 10 24 V DC o rel´e 5 a 30 V DC 2 de 0 V - 10 V Frecuencia m´axima de 100 kHz

Arduino Uno Es un modelo de la familia Arduino. Posee 14 pines de conexi´on que sirven como entradas/salidas digitales dependiendo de c´omo se programe su funcionamiento. Realiza la comunicaci´on con la computadora a partir de un puerto USB (2). En la Figura 2.5 se presenta la vista superior de un ejemplar de Arduino Uno. En el cuadro 2.2 se muestra un resumen de las caracter´ısticas de inter´es del Arduino Uno para el proyecto.

10

2 Antecedentes

Figura 2.5: Vista superior del Arduino Uno. (2) Cuadro 2.2: Caracter´ısticas t´ecnicas de importancia del Arduino Uno (2)

Caracter´ıstica

Arduino Uno

Tensi´ on de operaci´ on Tensi´ on de entrada (recomendada) Tensi´ on de entrada (l´ımites) Pines digitales (entrada/salida) Pines entrada anal´ ogicos Corriente DC por cada pin digital

5V 7 - 12 V 6 - 20 V 14 (donde 6 tienen salida en PWM) 6 40 mA

2.4

Hardware in the Loop

En la Automatizaci´ on Industrial se pueden presentan problemas cuando se requiere sintonizar un proceso o una planta. Problemas como la sincronizaci´on de los tiempos entre las tareas de control y el equipo productivo, adem´as de que en algunos casos para optimizar o sintonizar un proceso se necesita detener al mismo o se perturba al proceso en cuesti´on. De lo anterior surge la necesidad de poder utilizar un m´etodo para optimizar o sintonizar al proceso de manera que no se perturbe la producci´ on o el sistema de control. Para subsanar los problemas anteriores, se puede utilizar el m´etodo de simulaci´on Hardware in the loop, para as´ı realizar la sintonizaci´on y optimizaci´on del proceso sin detenerlo o afectarlo de manera alguna. La simulaci´on de Hardware in the loop consiste en implementar virtualmente sistemas industriales y sistemas de control industriales reales (9). El utilizar sistemas de control industriales reales permite cargar el c´odigo sin modificar el sistema de simulaci´on, de manera que se obtiene el sistema de

2.4. Hardware in the Loop

11

control completo para realizar la optimizaci´on o la sintonizaci´on del sistema. Una vez que se ha terminado de realizar los cambios al sistema de control se pueden actualizar los par´ametros del sistema de control en el sistema de control f´ısico de la planta, para que as´ı continue funcionando el proceso de forma optimizada (9).

3

Dise˜ no de la interfaz electr´ onica

3.1

Caracter´ısticas y especificaciones del dise˜ no

El dise˜ no de la interfaz se realizar´a en dos partes, la primera ser´a la comunicaci´ on Arduino Uno al PLC y la segunda corresponde a la comunicaci´on desde el PLC al Arduino Uno. Las caracter´ısticas principales para el dise˜ no son el costo, funcionalidad y seguridad del aislamiento de los dos instrumentos. El costo interviene en el presente proyecto ya que este comprende la implementaci´ on de la interfaz la cual ser´a un objeto f´ısico con un costo de implementaci´ on. El costo estar´a determinado por el valor de los componentes electr´ onicos. La idea, para el laboratorio, es implementar una interfaz por cada S7 1200 que hay en el laboratorio de Automatizaci´on Industrial, los cuales son seis. As´ı que el costo que se tenga de una interfaz se reflejar´a en un costo final de seis veces su costo individual. Respecto a la funcionalidad lo que se requiere es que permita la comunicaci´ on de forma robusta entre el PLC y el Arduino. Recordando que, el S7 1200 funciona a tensiones industriales de 24 V DC, mientras que el Arduino Uno utiliza se˜ nales de 5 V DC, la funci´on principal de la interfaz ser´a entonces la de convertir las se˜ nales de 5 V DC a 24 V DC en sentido Arduino-PLC y tambi´en las se˜ nales de 24 V DC a 5 V DC en sentido PLC-Arduino. Los tiempos de retardo de la se˜ nal, en cualquiera de los dos sentidos, pueden ser ignorados debido a que las plantas industriales que se simulan en LabVIEW fueron dise˜ nadas con tiempos de reacci´on y de cambio mucho mayores a los tiempos de retardo que se pueden dar a nivel electr´onico. Al revisar el anexo A, de las asignaciones que se le dio a cada uno de los pines de entrada/salida del Arduino Uno, se tiene que la mayor cantidad de entradas anal´ ogicas en una planta son 8 y en el caso de salidas el m´aximo son 6. Debido a lo anterior se tiene que realizar la comunicaci´on en sentido ArduinoPLC en 6 l´ıneas de comunicaci´on. Mientras que en el sentido PLC-Arduino se deben usar 8 l´ıneas de comunicaci´on. El prop´ osito de la interfaz radica en que se deben disminuir las se˜ nales de tensi´ on o aumentarlas seg´ un sea el caso, por lo tanto, se debe realizar de manera que no vaya a darse un desperfecto en la comunicaci´on que pueda afectar a alguno de los dos equipos. Debido a la diferencia de tensi´on, la preocupaci´ on principal radica en proteger al Arduino Uno de las tensiones altas del PLC. Por todo esto se requiere entonces un aislamiento galv´anico o una protecci´ on f´ısica la cual no permita el paso de corrientes da˜ ninas al 13

14

3 Dise˜ no de la interfaz electr´onica

Arduino Uno. Se decidi´ o implementar un aislamiento galv´anico en la direcci´on PLC - Arduino y en el sentido contrario implementar una protecci´on por rel´e o utilizar tambi´en un aislamiento galv´anico. Se debe tomar en cuenta que el PLC y el Arduino Uno podr´ıan presentar diferencias entre las tensiones de referencia o sus tierras, esto dependiendo de la alimentaci´ on de ambos. Debido a que el PLC establecer´a sus 0 V respecto la conexi´ on a tierra de su alimentaci´on, mientras que la alimentaci´on del Arduino Uno proviene de la computadora. Al provenir la conexi´on de tierra de ambos de distintos puntos de referencia, se puede dar que las tierras de ambos circuitos o conductores neutros no se encuentren a un mismo nivel de tensi´on. Lo anterior, si se diera y tuvieran conexi´ on f´ısica entre sus neutros, se podr´ıa generar debido a la diferencia de tensi´ on, una corriente en cualquiera de los dos sentidos, la cual podr´ıa da˜ nar el equipo electr´onico de uno o ambos equipos. Por todas las razones dadas anteriormente es necesario que la interfaz no permita el paso de corriente entre el PLC y el Arduino. En la figura 3.1 se presenta el diagrama de bloques funcionales con el cual se espera implementar la interfaz electr´onica para la comunicaci´on entre el PLC y LabVIEW.

Figura 3.1: Diagrama de bloques para la implementaci´on de la interfaz

3.2

Dise˜ no interfaz sentido de comunicaci´ on Arduino - PLC

El sentido de comunicaci´ on en este caso es del Arduino Uno hacia el S7 1200. De manera que el Arduino Uno generar´a se˜ nales digitales de 5 V DC las cuales se deber´ an convertir en se˜ nales digitales de entrada de 24 V DC para que el S7 1200 lea correctamente las se˜ nales en alto. Las se˜ nales en bajo siguen siendo de cero volts.

3.2. Dise˜ no interfaz sentido de comunicaci´on Arduino - PLC

15

Para el dise˜ no de la comunicaci´on del Arduino al PLC se analizaron varias formas de realizar el acople de las se˜ nales de tensi´on distintas. Se pens´o en utilizar un aislamiento ´ optico y tambi´en en la posibilidad de realizar el control de se˜ nales hacia el PLC con rel´es. Al buscar las opciones presentes en el pa´ıs (para ahorrar gastos de env´ıo de partes electr´ onicas, los cuales pueden resultar s´ umamente caros proporcionalmente) se encontraron tres posibles opciones las cuales cumplen con las cualidades necesarias para la interfaz. En las subsecciones posteriores se presentan las tres opciones para implementar las v´ıas de comunicaci´on Arduino PLC.

Electronic Brick of Relay La primera opci´ on que se revis´o fue usar un Electronic Brick of Relay, de ITead Studio, modelo IM120710007. El bloque de rel´e fue dise˜ nado para ser usado con un Arduino y para controlar el rel´e con se˜ nales de 5 V DC. La idea de los electronic bricks es que se tenga una forma modular de ensamblar distintos equipos, simplemente se debe preocupar por conectar y desconectar. En la figura 3.2 se presenta la vista superior del Electronic Brick of Relay.

Figura 3.2: Vista superior del Electronic Brick of Relay. (1) El Electronic Brick of Relay se puede conectar a un puerto de entradas y

16

3 Dise˜ no de la interfaz electr´onica

salidas digitales. Este posee tres pines de entrada: G, V y S. V es la alimentaci´on de potencia positiva, G es la tierra o ground. Cuando en la entrada S se encuentra en alto, el rel´e estar´ a en conexi´on cerrada. Como se puede ver en la figura 3.2 el electronic brick presenta dos agujeros por los cuales se puede sujetar la tarjeta a una estructura. El Electronic Brick of Relay presenta dos tipos de protecciones: protecci´on de circuito para prevenir el quemar el solenoide del rel´e cuando est´a desconectado y protecci´ on aisladora del circuito para prevenir da˜ nos al puerto de entrada por corrientes del interruptor del rel´e. Adem´as contiene un LED para indicar cuando el brick est´ a conectado o no (1). En el cuadro 3.1 se presenta un resumen de las caracter´ısticas de importancia del Electronic Brick of Relay. Cuadro 3.1: Caracter´ısticas t´ecnicas de importancia del Electronic Brick of Relay (1)

Caracter´ıstica

E.B. of Relay

Tensi´ on de operaci´on Tensi´ on de entrada (recomendada) Corriente nominal Tensi´ on m´ axima de conmutaci´on AC Tensi´ on m´ axima de conmutaci´on DC

5V 0-5V 24 mA 120 V AC 24 V DC

En el anexo B se presenta el esquem´atico del Electronic Brick of Relay tomado de (4).

2 Channels 5 V relay module La segunda opci´ on que se analiz´o fue usar el 2 Channels 5 V relay module, tambi´en de ITead Studios, modelo IM120525001. Este es un bloque el cual contiene dos rel´es los cuales se pueden activar con una se˜ nal de 5 V, por lo cual son ideales para el uso con Arduino. Los rel´es se pueden alambrar de manera que funcionen como N.A. o N.C. respecto el pin de salida com´ un. Incluyen dos LEDs para indicar el estado de cada uno de los rel´es. Los rel´es son controlados por transistores bipolares TTL. En la figura 3.3 se presenta una fotograf´ıa del m´ odulo. En el cuadro 3.2 se presenta un resumen de las caracter´ısticas principales del m´odulo con dos rel´es, las cuales deben ser consideradas para asegurarse del funcionamiento adecuado. Especialmente asegurarse que el Arduino pueda suplir la corriente nominal de los rel´es. En el anexo C se presenta el diagrama esquem´ atico del m´ odulo.

3.2. Dise˜ no interfaz sentido de comunicaci´on Arduino - PLC

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Figura 3.3: Fotograf´ıa del 2 Channels 5 V relay module. (4) Cuadro 3.2: Caracter´ısticas t´ecnicas de importancia del 2 Channels 5 V relay module (4)

Caracter´ıstica

M´odulo

Tensi´on de operaci´on Tensi´ on de entrada (recomendada) Corriente nominal Tensi´ on m´ axima de conmutaci´on AC Tensi´ on m´ axima de conmutaci´on DC

5V 0-5V 20 mA/rel´e 250 V AC 30 V DC

Optoaislador NTE3221 Al buscar distintos tipos de optoaisladores y optoacoples se lleg´o a la conclusi´ on de que el chip que mejor se ajusta a las necesidades del dise˜ no es el NTE3221. Este es un chip el cual posee cuatro optoaisladores por chip. En el cuadro 3.3 se presenta un resumen de las caracter´ısticas de importancia del chip para el dise˜ no del presente sentido de comunicaci´on. Del cuadro 3.3, se tiene que la tensi´ on m´ axima del detector es de 35 V, por lo cual puede trabajar directo a los 24 V. El diagrama de conexi´on se presenta en la figura 3.4. El dise˜ no de la interfaz en este sentido de comunicaci´on se realiz´o de manera sencilla, tal y como se presenta en la figura 3.5. La idea es que cuando llega la se˜ nal de 0 V el emisor no se active, de manera que el fototransistor permanecer´a saturado. Como el foto transistor se encuentra en serie con un resistor de 100kΩ entonces, al estar saturado este se comportar´a como un circuito abierto el cual

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3 Dise˜ no de la interfaz electr´onica

Cuadro 3.3: Caracter´ısticas t´ecnicas de importancia del NTE3221 (NTE Inc.)

Caracter´ıstica

Emisor

Corriente polarizaci´ on m´axima Tensi´ on inversa m´ axima Disipaci´ on de potencia m´axima Tensi´ on de polarizaci´ on t´ıpica

50 mA 6V 70 mW 1.2 V - 1.4 V (IF =20 mA)

Caracter´ıstica

Detector

Corriente salida m´ axima Tensi´ on salida m´ axima Potencia salida m´ axima

50 mA 35 V 150 mW

Figura 3.4: Diagrama de conexi´on del NTE3221. (NTE Inc.)

tendr´a la tensi´ on entera que se provee desde la fuente del PLC. Y al estar la entrada de se˜ nal del PLC conectada al resistor del receptor esta ver´a tensi´on a tierra debido a que no habr´ a corriente fluyendo por el resistor. En el caso en que se presente la se˜ nal en alto del Arduino con 5 V entonces se tendr´ a que el foto emisor se encontrar´a encendido y este a su vez activar´a el foto transistor el cual estar´ a en corte. Como el transistor se encuentra en corte hay conducci´ on de corriente y la terminal de entrada del PLC leer´a 24 V. Se decidi´ o que la resistencia del resistor de receptor fuera de 100 kΩ para que no se tuviera problema con corrientes altas, ya que el PLC lee se˜ nales de tensi´on y no de corriente.

3.2. Dise˜ no interfaz sentido de comunicaci´on Arduino - PLC

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Figura 3.5: Dise˜ no del sentido de comunicaci´on Arduino - PLC

Finalmente el dise˜ no del resistor del emisor se dise˜ n´o de manera que la corriente que pasa por el emisor fuera de 20 mA para que as´ı la tensi´on del diodo emisor sea de aproximadamente 1.2 V. Con una simple ecuaci´on de malla se puede obtener el valor de la resistencia del emisor, la cual se explica en las ecuaciones (3.1) a (3.3) Vout − VLED IP olarizacin

(3.1)

5V − 1,2V = 190Ω 0,02A

(3.2)

Remisor = Remisor =

donde el valor comercial de resistencia se presenta en la ecuaci´on (3.3). Remisor = 190Ω ∼ 180Ω

(3.3)

La resistencia del resistor del emisor ser´a cercana a los 180 Ω, entonces se tiene que la corriente de polarizaci´on cambiar´a como lo muestra la ecuaci´on 3.5 Vout − VLED Ipolarizacin = (3.4) Remisor 5V − 1,2V Remisor = = 21mA (3.5) 180Ω y el consumo de potencia por parte del resistor con la nueva corriente de 3.5 se presenta en la ecuaci´on 3.6. PRemisor = (Ipolarizacin )2 ∗ Remisor = 80,22mW

(3.6)

El consumo de potencia del resistor es menor a 0,25 W de Watt, por lo cual no hay preocupaci´ on alguna en lo que respecta a la potencia. El consumo de corriente por parte de los emisores ser´a de 21 mA seg´ un (3.5) y debido a que son 6 l´ıneas de comunicaci´on del Arduino hacia el PLC se

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3 Dise˜ no de la interfaz electr´onica

tiene que el Arduino deber´ a suplir un total de corriente de 126 mA. El Arduino Uno permite una corriente m´ axima por cada pin I/O de 40 mA, cuadro 2.2, por lo cual no se dan problemas para suplir la corriente de polarizaci´on. Para la simulaci´ on de este sentido de comunicaci´on se utiliz´o el simulador TINA de DesignSoft1 . Para la simulaci´on se utiliz´o le circuito mostrado en la figura 3.5, cambiando la salida del Arduino por una onda cuadrada de 1 Hz de frecuencia para simular los cambios de las salidas digitales del Arduino. La respuesta del circuito simulado se presenta en la figura 3.6 donde se observa c´ omo la se˜ nal de lectura en las entradas del PLC sigue la se˜ nal de salida del Arduino. Permitiendo gracias al opto acople cambiar las se˜ nales desde 5 VDC a 24 VDC, manteniendo correctamente la comunicaci´on del Arduino hacia el PLC.

Figura 3.6: Resultado de la simulaci´on del sentido de comunicaci´on PLC Arduino.

3.3

Dise˜ no interfaz sentido de comunicaci´ on PLC Arduino

Para el sentido de comunicaci´ on desde el S7 1200 hacia el Arduino se reducen las se˜ nales de tensi´ on de 24 V a 5 V para que el Arduino las lea de manera segura. Una vez que se han reducido las se˜ nales de tensi´on se env´ıan a trav´es de un optoacople para as´ı aislar ´ opticamente las se˜ nales de comunicaci´on. De la salida del optoacople, se toma la se˜ nal de tensi´on y por medio de circuiter´ıa se conecta al Arduino para que este la lea. Esto se ilustra en la figura 3.7. 1

P´ agina web: http://www.tina.com/.

3.3. Dise˜ no interfaz sentido de comunicaci´on PLC - Arduino

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Figura 3.7: Diagrama de idea b´asica para la comunicaci´on PLC - Arduino.

Para disminuir la tensi´on de la se˜ nal del PLC se utiliz´o el LM324 o NTE987 el cual es un encapsulado con cuatro amplificadores operacionales de alimentaci´ on unipolar. Se eligi´o el NTE987 especialmente por ser de alimentaci´on unipolar, as´ı no hab´ıa que suministrar una fuente de tensi´on invertida, y tambi´en debido a que un encapsulado permite trabajar hasta cuatro se˜ nales independientes. El diagrama de conexi´on del LM324 se presenta en la Figura 3.8 donde permite ver las dos cualidades ya mencionadas.

Figura 3.8: Diagrama de conexi´on del LM324. (10) En el cuadro 3.4 se presenta un resumen de las caracter´ısticas de inter´es del LM324. Primero se propuso un dise˜ no donde se usaba el LM324 como inversor. Donde se sab´ıa que al tener un amplificador con alimentaci´on unipolar y usarlo como inversor no se va a poder obtener una tensi´on negativa. De manera que lo que se quer´ıa era reducir la tensi´on de la se˜ nal con la raz´on de la ecuaci´on de la configuraci´ on de inversor:

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3 Dise˜ no de la interfaz electr´onica Cuadro 3.4: Caracter´ısticas t´ecnicas de importancia del LM324 (10)

Caracter´ıstica

LM324

Tensi´ on de alimentaci´on m´axima Tensi´ on de entrada m´axima Rango de tensi´ on de entrada Corriente de entrada m´axima Corriente de salida

32 V 32 V -0.3 V a 32 V 50 mA 20 mA

Vout = −Vin

R2 R1

(3.7)

Sin embargo, el funcionamiento de los amplificadores operacionales unipolares es distinto a la de los bipolares. Los primeros, pueden funcionar con la configuraci´ on de inversores pero modificando su tensi´on de referencia. El cambio que se realiza es elevar la tensi´on de referencia o tierra, es decir, si la tierra para un bipolar es 0 V, en el caso del unipolar se cambia por Vcc /2 para que as´ı la se˜ nal no se sature en 0 V al usar la configuraci´on de inversor. De manera que ahora las se˜ nales invertidas estar´an por debajo de Vcc /2 hasta un m´ınimo de 0 V. Esta condici´ on para poder usar el inversor no result´o efectiva para el presente dise˜ no debido a que la se˜ nal no se iba a lograr mantener entre un valor cercano a los 5 V y los 0 V. Para solucionar el problema de alimentar el LED con 24 V DC, se decidi´o utilizar una configuraci´ on de sumador que propone Texas Instruments en la hoja del fabricante del LM324. Dicha configuraci´on se presenta en la figura 3.9.

Figura 3.9: Amplificador sumador en DC para el LM324. (10)

3.3. Dise˜ no interfaz sentido de comunicaci´on PLC - Arduino

23

La ecuaci´ on para la tensi´on de salida de la configuraci´on presentada en la figura 3.9, se presenta a continuaci´on en la ecuaci´on (3.8). Vout = V1 + V2 − V3 − V4

(3.8)

Para utilizar un dise˜ no m´as eficiente se modific´o el esquem´atico de la figura 3.9 al utilizar V1 = V2 y V3 = V4 entonces, se puede realizar un paralelo de las resistencias de 100kΩ que van de las tensiones V1, V2, V3 y V4 a las terminales inversoras y no inversoras del NTE987. Siguiendo la ecuaci´on (3.8) se tiene que al realizar el paralelo la tensi´on de salida ser´a el doble de la diferencia de tensiones entre V1 y V3. En el caso de que V3 sea mayor a V1 se saturar´a la tensi´ on de salida en 0V. Con lo anterior se define que V1 sea la tensi´on de la salida del S7 1200 y V3 = 21,5 V. As´ı, cuando V1 sea 24 V la salida ser´a 5 V y cuando V1 sea 0 V la salida ser´a de 0 V gracias a la saturaci´on del amplificador. Como los resistores que se tomaron en paralelo entre V1 y V2 y entre V3 y V4 dan un paralelo de 50 kΩ un valor no comercial, se determin´o que los resistores fueran de 47 kΩ. Para realizar el divisor de tensiones de 21.5 se utilizan dos resistores de 12 kΩ y 100 kΩ, donde el primero se conecta a la alimentaci´ on de l´ınea del S7 1200 y el segundo se conecta a tierra. Del punto com´ un se toman los 21.5 V para las ocho v´ıas de comunicaci´on. La tensi´ on de salida del NTE987 alimenta el emisor del opto acople, el cual requiere una baja corriente. En la figura 3.10 se presenta la configuraci´on que se seguir´ a por cada l´ınea de comunicaci´on para alimentar el LED del optoacople NTE3221 desde el NTE987. En el cuadro 3.3 ya se hab´ıan presentado las caracter´ısticas de importancia para el dise˜ no.

Figura 3.10: Esquem´ atico de la conexi´on del NTE987 al emisor del NTE3221. Al revisar el cuadro 3.3 la caracter´ıstica del emisor de tensi´on de polarizaci´ on, se ve que para una corriente de polarizaci´on de 20 mA se tiene t´ıpi-

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3 Dise˜ no de la interfaz electr´onica

camente una tensi´ on de polarizaci´on de entre 1.2 V y 1.4 V. Por lo tanto se dise˜ na el resistor R emisor, que se presenta en la Figura 3.10, de manera que se cumpla la relaci´ on mencionada anteriormente de la polarizaci´on. Se sabe que la tensi´ on de alimentaci´ on para el LED y su resistor proveniente de la salida del NTE987 ser´ a de 5 V aproximadamente. Por lo tanto con una simple ecuaci´ on de malla se puede obtener el valor de la resistencia del emisor: Vout − VLED IP olarizacin 5V − 1,2V = = 190Ω 0,02A

Remisor = Remisor

(3.9) (3.10)

Se eligi´ o una resistencia mayor a la determinada en (3.10), se eligi´o de 220 Ω para que la corriente sea menor a los 20 mA y as´ı mantener consumo bajo de potencia. Adem´ as la corriente de polarizaci´on m´axima del LED es 50 mA seg´ un el cuadro 3.3. Para determinar que no haya problemas con la potencia del resistor del emisor se calcula la nueva corriente con el valor de 220 Ω del Remisor , dicho c´ alculo de la corriente y la potencia se presentan en (3.11) y (3.12) respectivamente. Como la potencia del resistor es menor a un cuarto de Watt, entonces un resistor de un cuarto de watt manejar´a sin problema la corriente. Ipolarizacin =

5V − 1,2V = 17, 3mA 220Ω

PRemisor = (Ipolarizacin )2 ∗ Remisor = (17, 3mA)2 ∗ 220Ω = 66mW

(3.11) (3.12)

Una vez que se enciende el LED del NTE3221 este har´a conmutar al transistor asociado. El fototransistor se utiliza ahora como interruptor para dar la se˜ nal al Arduino de los 5 V. Esta parte es muy similar a lo implementado en la subsecci´ on Optoaislador NTE3221 en sentido Arduino PLC. En la figura 3.11 se presenta la propuesta para implementar esta parte. Cuando el LED active el foto transistor este estar´ a en corte de manera que la entrada del Arduino leer´a los 5 V de su propia alimentaci´on. Y cuando el PLC d´e una se˜ nal en bajo el LED no se encender´ a, de manera que el foto transistor quedar´a en saturaci´ on y se comportar´ a como circuito abierto, as´ı la entrada del Arduino leer´a 0 V. Para el resistor del receptor se elige un valor de 22 kΩ para mantener la misma relaci´ on que la del resistor del emisor en el sentido contrario de comunicaci´ on. Finalmente para corroborar el dise˜ no antes de su implementaci´on se realiz´o una simulaci´ on del mismo, con el simulador TINA de DesignSoft. Para la simulaci´ on se utiliz´ o el circuito que se presenta en la figura 3.7 cambiando la

3.3. Dise˜ no interfaz sentido de comunicaci´on PLC - Arduino

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Figura 3.11: Esquem´ atico de la conexi´on del receptor del NTE3092 al pin de entrada del Arduino.

fuente que simula al PLC por una fuente con una se˜ nal cuadrada de tensi´on de 24 VDC centrada en 12 VDC. En la figura 3.12 se presenta la simulaci´on del circuito donde se ve la onda cuadrada que simula la entrada proveniente del PLC. Adem´as se presenta la se˜ nal a la salida del circuito con el nombre de Vlectura que es la tensi´on o la se˜ nal que leer´ıa el Arduino en sus entradas. De la simulaci´ on se puede observar que cuando la tensi´on de salida del PLC se encuentra a 24 VDC la tensi´on de lectura del Arduino es de casi 5 V. Si bien la se˜ nal del Arduino no es de precisamente los 5 VDC se sabe que no hay problema con esto debido a que el Arduino lee un uno l´ogico con una tensi´ on mayor a 3 VDC. Luego cuando la se˜ nal cuadrada cae a los 0 V se ve c´ omo la se˜ nal que lee el Arduino cae tambi´en a los 0 V de su propia fuente. Para la simulaci´ on se utiliz´o la se˜ nal de entrada, la que simula el PLC, una onda cuadrada con una frecuencia de 1 Hz debido a que en general los procesos industriales no cambian muy constantemente de estado.

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3 Dise˜ no de la interfaz electr´onica

Figura 3.12: Resultado de la simulaci´on del sentido de comunicaci´on PLC Arduino.

4 Implementaci´ on de la interfaz electr´ onica y resultados 4.1

Dise˜ no del layout de la interfaz electr´ onica para una PCB

Debido a que se quiere, para el curso de Automatizaci´on Industrial, implementar varias de estas interfaces se dise˜ n´o un layout el cual se pueda mandar a imprimir por una empresa. De la empresa se obtendr´ıa el producto terminado electr´ onicamente, es decir la interfaz en un PCB (printed circuit board). Para el dise˜ no del layout o interconexi´on de los componentes en la tarjeta se utiliz´ o el software Pad 2 Pad1 . Este software fue desarrollado por una empresa con el mismo nombre la cual se dedica a imprimir circuitos con el dise˜ no espec´ıfico que pida el cliente. Por esta raz´on se eligi´o dicho software, para en un futuro se puedan mandar a imprimir con esta misma empresa. Para el dise˜ no se realizaron las conexiones de los componentes por las dos capas de la tarjeta, es decir una serie de conexiones quedaron del lado superior y otras del lado inferior. Se eligi´o un tama˜ no de cuatro por cinco pulgadas para la tarjeta total. En la misma se implementaron los dos circuitos dise˜ nados en la subsecci´ on 3.2 y en la 3.3, es decir se implementaron los dos sentidos de comunicaci´ on en una s´ ola PCB. En la figura 4.1 se presenta el layout de la PCB con los componentes y en la figura 4.2 se presenta el layout de las pistas u ´nicamente, tomadas directamente del programa. El programa no permite exportar el layout en un formato que se pueda presentar de mejor manera como pdf, raz´on por la cual se muestra el layout tomando una captura de pantalla del programa. El programa permite exportar a AutoCad u ´nicamente el diagrama mec´anico de la tarjeta, sin las pistas de las conexiones entre los componentes. Para dise˜ nar el layout primero se colocaron los conectores y los componentes DIP 16 y DIP 14. Luego se agregaron los resistores de cada etapa tratando de colocarlos cerca de los pines de conexi´on a los que van conectados. Se realizaron las conexiones l´ogicas entre los componentes y luego se utiliz´ o la herramienta Route con la cual el mismo programa realiza las rutas de las conexiones de manera que no se den conexiones indeseadas entre las 1

https://www.pad2pad.com/

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4 Implementaci´on de la interfaz electr´onica y resultados

conexiones. Finalmente se revisaron las rutas que gener´o el programa y se mejoraron aquellas que fueron necesarias de mejorar. Parte de la importancia del proyecto, como ya se hab´ıa mencionado radica en el costo de implementaci´ on de la tarjeta. Debido a lo anterior se invirti´o tiempo en b´ usqueda de soluciones al problema que fueran baratas, esto debido a que en general los opto acoples suelen ser relativamente caros. El haber encontrado los componentes NTE3221 y el NTE987 fueron de suma importancia al proyecto, ya que estos permitieron utilizar hasta cuatro l´ıneas de comunicaci´on por integrado. Al permitir estos integrados comunicar varias v´ıas en un s´olo integrado reducen los costos, ya que muchos integrados sirven para s´olo una v´ıa, a´ un cuando estos presentan precios similares a los de los integrados elegidos.

4.1. Dise˜ no del layout de la interfaz electr´onica para una PCB

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Figura 4.1: Layout de la PCB dise˜ nada para la implementaci´on de la interfaz electr´ onica.

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4 Implementaci´on de la interfaz electr´onica y resultados

Figura 4.2: Layout de las pistas de la PCB dise˜ nada.

4.1. Dise˜ no del layout de la interfaz electr´onica para una PCB

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En los cuadros 4.1 y 4.2 se presentan los costos de cada uno de los componentes, as´ı como el valor nominal o el componente asociado a cada sigla. En el cuadro 4.1 se presentan los componentes con siglas no repetidas del sentido de comunicaci´ on PLC - Arduino. Para obtener el costo se debe agregar el costo de los resistores que tienen siglas repetidas, estos a su vez no se agregaron debido a que tienen el mismo valor nominal entre s´ı. Los componentes que sus siglas son una equis may´ uscula y un n´ umero, son los conectores atornillables para PCB. Cuadro 4.1: Lista de precios de los componentes para la tarjeta dise˜ nada, primer sentido de comunicaci´on Direcci´on PLC - Arduino Sigla R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15 R16 R17 R18 R19

Valor Nominal 12 kΩ 100 kΩ 47 kΩ 47 kΩ 47 kΩ 47 kΩ 100 kΩ 100 kΩ 100 kΩ 100 kΩ 47 kΩ 47 kΩ 47 kΩ 47 kΩ 100 kΩ 100 kΩ 100 kΩ 100 kΩ 220 Ω

Costo (colones) 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

Sigla R20 R21 R22 R26 R27 R28 R29 U1 U2 U3 U4 X1’ X2’ X1 X2 Base DIP

Valor 220 Ω 220 Ω 220 Ω 22 kΩ 22 kΩ 22 kΩ 22 kΩ NTE987 NTE988 NTE3221 NTE3221 2 Pines 2 Pines 8 polos 8 polos -

Costo (colones) 10 10 10 10 10 10 10 1313 1313 2605 2605 150 150 1130 1130 60

El cuadro 4.2 s´ı presenta todos los componentes junto con su correspondiente precio. Como se puede observar de ambos cuadros el costo de los integrados NTE987 y NTE3221 son precios muy razonables los cuales rondan los 1200 colones por integrado (al realizar un promedio). Comparando el precio de estos dos integrados contra otros integrados como otros opto acoples los cuales contienen un s´ olo opto acople por integrado y con un precio parecido, se tiene que el NTE3221 resulta hasta cuatro veces m´as barato. De la misma compa˜ n´ıa de la cual se utiliz´o el software para dise˜ nar el

32

4 Implementaci´on de la interfaz electr´onica y resultados

Cuadro 4.2: Lista de precios de los componentes para la tarjeta dise˜ nada, primer sentido de comunicaci´ on Direcci´on PLC - Arduino Sigla X3, X5 X6, X7 U4 U5 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R10 R11 R12 R13 R14 R15 R16 R17

Valor Nominal / componente 8 polos 8 polos NTE3221 NTE3221 180 Ω 180 Ω 180 Ω 180 Ω 180 Ω 180 Ω 180 Ω 180 Ω 100 kΩ 100 kΩ 100 kΩ 100 kΩ 100 kΩ 100 kΩ 100 kΩ 100 kΩ

Costo (colones) 1130 1130 2605 2605 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

layout de la PCB, se aprovech´ o a cotizar con ellos cu´anto costar´ıa traer a Costa Rica cinco PCB con el dise˜ no propuesto. La cotizaci´on de s´olo las cinco tarjetas PCB, es decir sin componentes, es de 193 d´olares estadounidenses. De la cotizaci´ on se tendr´ıa que cada PCB (al ordenar las cinco PCB juntas para abaratar los gastos de env´ıo) cuesta 38,6 d´olares estadounidenses. Realizando una sumatoria de los costos de los componentes, se tiene un precio final por tarjeta, incluyendo la PCB de 212301 colones, de 41385 colones. El costo final se obtiene del cuadro 4.3.

1

Calculado con un precio de 550 colones por d´ olar estadounidense.

4.2. Implementaci´ on y pruebas al dise˜ no

33

Cuadro 4.3: Costos totales para la implementaci´on de una tarjeta Costo total tarjeta en colones Componente Resistores Conector 2 pin Conector 8 pin NTE3221 NTE987 PCB

4.2

Precio unitario 10 150 1008 2605 1162 21230

Cantidad 76 2 4 4 2 1

Precio total 760 300 4032 10420 2324 21230

Subtotal I.V. Cost total

39066 2318.68 41384.68

Implementaci´ on de la interfaz electr´ onica en una protoboard y una tarjeta de pruebas

Corroboraci´ on del dise˜ no el´ ectrico de los circuitos Para corroborar que el dise˜ no funcionara correctamente, se implement´o un circuito de cada una de las etapas en una protoboard. Primero se implement´o el circuito de la configuraci´on de amplificador sumador utilizando tan s´olo uno de los amplificadores operacionales del NTE987. Luego se conect´o la salida del sumador al resistor Remisor1 con el cual se control´o el emisor del opto acople. De la salida del opto acople se implement´o la configuraci´on para la medici´on de los 5 V por parte del Arduino. Para implementar todo esto se midieron los valores de los resistores para asegurarse que no fuese a haber una resistencia muy distinta de la deseada seg´ un el dise˜ no. En el cuadro 4.4 se presentan los valores de resistencia de cada uno de los resistores utilizados. Del mismo cuadro se ve que no hubo ning´ un valor muy distante del deseado. Lo primero que se prob´o fue que al conectar el sumador, este diera una tensi´ on cercana a los 5 V. Por lo anterior, se implement´o u ´nicamente el sumador. Se utiliz´ o una fuente DC con tres salidas de tensi´on donde dos de estas se utilizaron a 12 VDC en serie para obtener los 24 VDC. Para los 5 V del Arduino se utiliz´ o la tercera salida de la fuente, la cual es una fuente a tensi´on fija de 5 VDC. De los 24 V se aliment´o directamente al NTE987 y el divisor de tensiones que deber´ıa dar una tensi´on continua de 21,5 VDC. Para simular los cambios en el valor de la tensi´on de salida del PLC se conect´o la entrada que ser´ıa desde el PLC del circuito sumador a los 24 VDC de la fuente o a la terminal de tierra de la misma.

34

4 Implementaci´on de la interfaz electr´onica y resultados

Cuadro 4.4: Resistencias medidas de los resistores para pruebas de dise˜ no Resistor

Resistencia te´orica

Resistencia medida

R1 R2 R3 R4 R5 R6

100 kΩ 100 kΩ 100 kΩ 47 kΩ 47 kΩ 12 kΩ 220 Ω 22 kΩ

97,1 kΩ 100 kΩ 98 kΩ 46,9 kΩ 46,87 kΩ 12,23 kΩ 220 Ω 22,1 kΩ

Remisor1 Rreceptor1

Al realizar la conexi´ on se midi´o la tensi´on en el divisor de tensiones, este dio una tensi´ on de 21,432 VDC la cual se encuentra muy cercana a los 21,5 VDC deseados seg´ un el dise˜ no. Sin embargo hay que tomar en cuenta que debido a (3.8), como se tomaron V1 = V2 = 24 VDC o V1 = V2 = 0 VDC, dependiendo de la se˜ nal, y V3 = V4 = 21,5 ahora el error en una de las tensiones afecta el doble a la tensi´ on de salida. Sin embargo el circuito tiene una ventaja debido a c´omo se dise˜ n´ o la parte del resistor del emisor, ya que este se dise˜ n´o de manera que el emisor fuese controlado por una corriente mucho menor a su corriente m´axima. De manera que si la tensi´on del sumador a su salida es mayor a los 5 V el emisor puede resistir perfectamente m´as corriente que la dise˜ nada. En este caso con V3 = V4 = 21,432 V y V1 = V2 = 24 V (debido a que esta tensi´ on se tiene directo de la fuente) seg´ un la ecuaci´on de salida (3.8) se deber´ıa tener una tensi´ on de 5,136 V. Al realizar la medici´on de la tensi´on de alimentaci´ on se vi´ o que esta fue muy cercana a la esperada por el c´alculo anterior. La medici´ on de la tensi´on de salida fue de 5,20 V. Por lo cual en este caso no existe riesgo de que la corriente del emisor vaya a ser excesiva para este. Luego se conect´ o la entrada del sumador V1 = V2 = 0V, en este momento tal y como se esperaba la salida del sumador se satur´o en 0 V. Con la tensi´ on de salida del sumador asegurada se procedi´o a conectar el opto acople. A este se prob´ o que cuando se conecta la tensi´on de entrada de 24 V la salida del opto acople presenta continuidad, mientras que si la entrada del sumador era de 0 V entonces el foto transistor no conduc´ıa y se saturaba. Una vez que se comprob´ o el funcionamiento correcto del sumador y el opto acople se procedi´ o a conectar la salida del opto acople al resistor del receptor y a los 5 V de la fuente para as´ı poder probar que cuando llega la se˜ nal de 24 V la entrada del Arduino estar´ıa leyendo 5 V y cuando el PLC da 0 V entonces el Arduino ver´ a 0 V a su entrada. Al conectar el resistor y la fuente al foto transistor se midi´ o la tensi´ on en el nodo entre el foto transistor y el resistor al

4.2. Implementaci´ on y pruebas al dise˜ no

35

conectar la entrada del sumador a 24 V, se obtuvo una lectura de tensi´on de 5 V directos de la fuente. Cuando se removi´o la tensi´on de entrada de 24 V y se conect´ o a 0 V entonces la tensi´on medida por el mult´ımetro fue de los 0 V de la fuente, ya que como se esperaba en este caso el foto transistor se comport´o como una alta impedancia simulando un circuito abierto. Con lo anterior ya se comprob´o el dise˜ no del sumador y del foto acople en el sentido de comunicaci´on de PLC hacia Arduino. Para el sentido contrario se comprob´ o la parte del dise˜ no correspondiente a este sentido de la comunicaci´ on. Para ello se midi´ o tambi´en el valor de la resistencia del resistor del emisor y del receptor. Para el resistor del emisor de 180 Ω se obtuvo una medici´on de 180 Ω. Para el resistor del receptor de 100 kΩ se obtuvo una medici´on de 99,1 kΩ. Para comprobar este sentido de comunicaci´on se implement´o el circuito mostrado en la figura 3.5. Donde al igual que antes se utiliz´o una fuente DC para simular las tensiones de 5 V del Arduino y los 24 V del PLC. Al conectar el opto acople al resistor del emisor y los 5 V de la fuente se revis´o que el foto transistor tuviera conducci´on, lo cual se cumpli´o. Luego al desconectar la alimentaci´ on de los 5 V el foto transistor dej´o de conducir y se satur´o como se esperaba. Entonces se procedi´o a conectar el circuito completo, cuando se alimentaba al lado del emisor con los 5 V se le´ıan los 24 V de la fuente en la salida del circuito. Al desconectar los 5 V del emisor y conectarlo a tierra se le´ıan los 0 V de la fuente en serie. Con lo cual de esta forma se comprob´o el funcionamiento correcto en la pr´actica del dise˜ no propuesto para ambos sentidos de la comunicaci´on.

Pruebas a la interfaz electr´ onica implementada en una tarjeta de pruebas Como parte del proyecto se implement´o una primer tarjeta para la cual se decidi´ o no utilizar el dise˜ no completo de los opto acoples. Si no que se utiliz´o una combinaci´ on entre los m´odulos 2 Channel 5 V relay y el dise˜ no propuesto con opto acople. La decisi´on se tom´o debido a que ya se contaba en el laboratorio de Automatizaci´on Industrial con tres m´odulos 2 Channel 5 V relay, por lo cual se aprovecharon estos para abaratar la inversi´on para la versi´on de pruebas. Por lo anterior fue necesario realizar una nueva distribuci´on de la circuiter´ıa dise˜ nada, del sentido PLC - Arduino, en las tarjetas perforadas. No se pudo utilizar el mismo dise˜ no ya implementado en la figura 4.1 debido a que esta utiliza conexiones entre los componentes a dos niveles. Por lo cual se redise˜ n´o la distribuci´ on de esta parte en dos tarjetas perforadas de tres pulgadas por cuatro pulgadas. La nueva distribuci´on se presenta en la figura 4.3.

36

4 Implementaci´on de la interfaz electr´onica y resultados

A esta tarjeta, la cual est´ a compuesta por dos tarjetas perforadas debido al espacio, se le agregaron cuatro bloques de cuatro conectores atornillables cada uno. Con estos conectores atornillables se permite que el usuario pueda utilizar la tarje de manera m´ as r´ apida al poder conectar los cables provenientes del Arduino y del PLC de una manera mucho m´as pr´actica.

4.2. Implementaci´ on y pruebas al dise˜ no

Figura 4.3: Layout de la distribuci´on para las tarjetas perforadas.

37

38

4 Implementaci´on de la interfaz electr´onica y resultados

Como la base que se utiliz´ o fue una tarjeta perforada, entonces para poder realizar las conexiones entre los componentes, se utiliz´o soldadura de esta˜ no para sujetar los componentes a la tarjeta y tambi´en para realizar algunas de las conexiones entre ellos. En los casos en los que se cruzaba una conexi´on con otra se utilizaron cables con aislante los cuales fueron soldados a la tarjeta en los puntos en que interesaba realizar la conexi´on el´ectrica. Para cuidar que la soldadura no fuese a quemar ninguno de los circuitos integrados se utilizaron bases para DIP 16. En la figura 4.4 se presenta la tarjeta que se implement´o para realizar las pruebas.

Figura 4.4: Tarjeta implementada para la comunicaci´on PLC - Arduino. Para comprobar el funcionamiento de la tarjeta perforada se conect´o esta a una fuente DC igual a la que se hab´ıa utilizado en la subsecci´on anterior, simulando la tensi´ on del PLC y del Arduino. Una vez que se hubo conectado la alimentaci´ on de 24 V y de los 5 V se procedi´o con cables a alimentar cada una de las v´ıas de comunicaci´ on con 24 V y con 0 V de la fuente de 24 V para as´ı simular las se˜ nales del PLC. Cuando se alimentaba una v´ıa de comunicaci´on se med´ıa la tensi´ on de salida con un mult´ımetro. Los resultados de las pruebas se presentan en el cuadro 4.5, del cual se comprueba que la tarjeta funcion´o como se esperaba. Una vez que se hubo probado la tarjeta con la fuente DC se procedi´o a

4.2. Implementaci´ on y pruebas al dise˜ no

39

Cuadro 4.5: Resultados de prueba a la tarjeta con fuente DC V´ıa 1 2 3 4 5 6 7 8

Tensi´ on ante Vin = 24 V 5 5 5 5 5 5 5 5

V V V V V V V V

Tensi´on ante Vin = 0 V 0,01 V 0V 0V 0V 0V 0V 0V 0V

probar la tarjeta pero esta vez utilizando directamente el S7 1200 y el Arduino Uno, para revisar que por sus caracter´ısticas de fuente no perfecta ambos funcionaran de manera correcta. Para probar la tarjeta con ambos equipos se decidi´ o implementar ambos sentidos de comunicaci´on aprovechando que en el laboratorio ya se contaba con tres m´odulos de 2 Channels 5 V relay. Para realizar una prueba que fuera demostrativa y que implicara la correcta comunicaci´ on entre los dos equipos, se decidi´o realizar un sistema l´ogico que se retroalimentara dos veces entre los equipos. Para esto se aprovech´o, que al igual que como hizo Ruiz, el Arduino se puede utilizar como tarjeta de adquisici´ on de datos para LabVIEW. Por lo tanto se program´o en LabVIEW un programa l´ ogico sencillo que implicara usar al Arduino Uno tanto para enviar se˜ nales como para leer se˜ nales. En la figura 4.5 se presenta el diagama de contactos para la conexi´on del PLC con el Arduino para realizar la prueba. En la figura 4.6 se presenta la l´ogica que se program´o en el PLC y en el Arduino para realizar la prueba. La prueba que se ide´o para probar el funcionamiento correcto del sistema consiste en activar cuatro salidas del Arduino por medio de botones virtuales desde LabVIEW. Luego cada uno de esas se˜ nales que salen del Arduino entran al PLC donde se relaciona directamente cada una de las entradas de 0 a 3 del PLC con las salidas del PLC 0 a 3 respectivamente. Es decir, si el PLC lee un 1 l´ ogico en la entrada 1 pondr´a un 1 l´ogico en la salida 1. Esto con el fin de asegurarse que el PLC lee correctamente la se˜ nal proveniente del Arduino al pasar por los rel´es. Luego de las salidas 0 a 3 del PLC van las se˜ nales hacia la tarjeta implementada y de esta pasan hacia el Arduino en los pines 6 a 9 del mismo. Cuando llegan las se˜ nales de los pines 6 a 9 del Arduino estos pasan por una l´ ogica de dos compuertas AND. Y luego la salida 10 del Arduino se enciende cuando llegan las dos se˜ nales en alto de los pines 6 y 7, lo mismo para la salida

40

4 Implementaci´on de la interfaz electr´onica y resultados

Figura 4.5: Diagrama de contactos de la prueba realizada al sistema PLC Tarjeta - Arduino.

Figura 4.6: Esquema l´ ogico de la prueba realizada al sistema PLC - Tarjeta Arduino.

11 cuando llegan las se˜ nales provenientes de los pines 8 y 9. Finalmente las se˜ nales de los pines 10 y 11 del Arduino pasan hacia el PLC por medio de los rel´es, donde el PLC pone en alto la salida 4 cuando se da I0.4*I0.5 = 1. Para implementar el esquema de prueba propuesto en la figura 4.5 se program´o en LabVIEW el programa l´ogico que se muestra en la parte derecha de la misma figura. Donde los c´ırculos B, B2, B3 y B4 son botones programados en LabVIEW para indicar el valor deseado de los pines 2 a 5 del Arduino. Los bloques programados se presentan en las figuras 4.7 y 4.8. A partir de lo programado en LabVIEW se obtuvo entonces el front panel de LabVIEW desde el cual se pod´ıa determinar el estado de las salidas de los pines 2 a 5 del Arduino por medio de los botones programados. El front panel se presenta en la figura 4.9, donde se aprecian los 4 botones booleanos para determinar el estado de las salidas. Una vez que los programas del PLC y de LabVIEW se cargaron se conec-

4.2. Implementaci´ on y pruebas al dise˜ no

41

Figura 4.7: Nombramiento de los pines del Arduino, desde LabVIEW, como entradas y salidas seg´ un correspondiera.

taron el PLC y el Arduino entre s´ı a partir de la tarjeta implementada y de los rel´es comprados tal y como se muestra en la figura 4.10. Una vez que se puso en marcha ambos sistemas se midieron la tensi´on de alimentaci´ on del PLC donde se determin´o que en vez de los esperados 24 V el PLC estaba entregando 25,6 V. Como se detect´o tal diferencia en la alimentaci´ on se decidi´o medir tambi´en la tensi´on generada en la tarjeta a partir del divisor de tensiones de la tarjeta el cual deber´ıa dar una tensi´on aproximada de 21,5 V ante los 24 V. La medici´on dio una tensi´on de 23,5 V como se sabe esto lo que afecta es la tensi´on con la que se alimenta al emisor y su resistor. Siguiendo la ecuaci´on (3.8) se tiene entonces V1 = V2 = 25,6 V y V3 = V4 = 23,5 V por lo cual la tensi´on de salida del sumador es de 4,2 V la cual sigue funcionando de manera correcta para controlar el emisor de manera adecuada. Con las tensiones de funcionamiento de la tarjeta se prob´o entonces la comunicaci´ on entre el PLC y el Arduino. Primero se encendi´o el bot´on B desde el Front panel de LabVIEW lo cual provoc´o que se cerrara el primer rel´e. Al cerrarse el primer rel´e el PLC ley´o exitosamente la se˜ nal y encendi´o su LED de entrada I0.0 y su LED de salida Q0.0. Luego, debido a que a´ un no hab´ıa forma de saber si el Arduino estaba leyendo correctamente la se˜ nal del PLC se encendi´ o el bot´on B2 el cual tambi´en encendi´o exitosamente la entrada y salida del PLC correspondiente a la segunda se˜ nal. Como las dos primeras se˜ nales del PLC estaban en alto entonces el Arduino ley´o ambas se˜ nales y activ´ o su salida del pin 10 de manera que el rel´e correspondiente se

42

4 Implementaci´on de la interfaz electr´onica y resultados

Figura 4.8: L´ ogica combinacional y llamado de las entradas para determinar los estados de las salidas del Arduino.

Figura 4.9: Front panel del esquema programado en LabVIEW para las pruebas.

activ´o y este activ´ o a su vez la entrada I0.4 del PLC. Luego se encendieron los botones B2 y B3 los cuales encendieron las entradas y salidas del PLC correspondientes. Como se encendieron las salidas del PLC desde Q0.0 a Q0.3 entonces el Arduino encendi´ o sus salidas de los pines 10 y 11 con lo cual el PLC ley´o en sus entradas I0.4 e I0.5 se˜ nales en alto por lo cual activ´o la compuerta AND programada con lo cual se activ´o la salida del PLC Q0.4.

4.2. Implementaci´ on y pruebas al dise˜ no

43

Figura 4.10: Conexi´ on de la tarjeta implementada con el Arduino Uno y el S7 1200.

De lo anterior queda demostrado que el PLC y LabVIEW desde el computador lograron comunicarse exitosamente a trav´es de la tarjeta implementada, los rel´es y del Arduino Uno que fue usado como tarjeta de adquisici´on de datos. Cuando se comprob´ o el funcionamiento del sistema de comunicaci´on entonces se decidi´ o probar tambi´en la tensi´on con la cual el Arduino Uno aliment´o a la tarjeta implementada. Para esto se midi´o la tensi´on en el mejor y peor caso para la carga suministrada por el Arduino. Cuando el Arduino no ten´ıa ninguna se˜ nal en alto desde la tarjeta, entonces la carga era m´ınima con lo cual la tensi´ on que se le´ıa en la tarjeta era de 5 V exactos. Mientras que cuando se activaron las entradas del Arduino entonces se tuvo una tensi´on de un promedio de 4,3 V en cada una de las salidas de la tarjeta hacia el Arduino. La ventaja que presenta el Arduino ante este problema de carga es que el Arduino lee se˜ nales en alto mientras que sean mayores a 3 V. Por lo cual se puede seguir alimentando a´ un m´as entradas hacia el Arduino y este podr´a leerlas correctamente mientras que la carga no haga que la tensi´on caiga m´as de 2 V. Para la comprobaci´ on del funcionamiento adecuado del sistema de comunicaci´ on entre LabVIEW y el PLC se tom´o un video, el cual ser´a utilizado en la presentaci´ on del proyecto. Debido a que la prueba es relativamente extensa, se necesitar´ıan muchas fotos o capturas de imagen del video para demostrarlas. Raz´ on por la cual no se a˜ naden en el informe con tal de que no se sature el

44 mismo.

4 Implementaci´on de la interfaz electr´onica y resultados

5

Conclusiones y recomendaciones

Conclusiones • El integrado NTE987 fue de suma importancia para poder realizar un dise˜ no pr´ actico, ya que al tener cuatro amplificadores operacionales unipolares por chip evit´o el tener que alimentar la tarjeta con una fuente bipolar. • Debido a que el Arduino lee un uno l´ogico a partir de 3 V o m´as se evit´o un problema de carga a la hora de tener varias entradas activadas en el Arduino provenientes desde la tarjeta implementada. • Si bien se pudo haber cambiado los rel´es por lo dise˜ nado con foto acopladores, los rel´es resultaron en un ahorro de tiempo respecto lo que hubiese sido soldar e implementar la parte de los opto acoples. • Los opto acopladores y los rel´es resultan una soluci´on, para cuidar que el Arduino Uno no se vaya a quemar por sobre tensi´on, m´as cara que el mismo Arduino Uno. Sin embargo, se debe recordar que al proteger al Arduino tambi´en se est´a protegiendo al computador desde el cual se corre LabVIEW. Por lo tanto el costo de la tarjeta queda justificado. • Implementar la comunicaci´on por medio de los rel´es resulta en una opci´ on m´ as r´ apida, pr´actica pero tambi´en m´as cara. Mientras que si se implementa utilizando el dise˜ no que incorpora los NTE3221 se tiene una soluci´ on m´ as barata, m´as laboriosa pero tambi´en m´as robusta debido a que la comunicaci´ on se da por medio ´optico y no existe medio el´ectrico por el cual pueda existir una falla.

Recomendaciones • Para implementar m´as de estas tarjetas, si se elige utilizar en ambos sentidos de comunicaci´on la opci´on de opto acopladores, se recomienda utilizar PCB en vez de utilizar tarjetas perforadas. Las PCB resultan en una opci´ on mucho m´as pr´actica y m´as robusta para la implementaci´on de un circuito, el cual no sea un prototipo de desarrollo, que las tarjetas perforadas. • Para asegurar que los circuitos integrados como el NTE987 y el NTE3221 no se da˜ nen a la hora de realizar la soldadura, se recomienda utilizar 45

46

5 Conclusiones y recomendaciones bases para para circuitos integrados. Adem´as esta opci´on permite que si se da˜ na uno de los circuitos integrados entonces se pueda cambiar por otro sin tener que remover la soldadura y luego volver a soldar. • Debido a que el precio para mandar a traer la PCB es bastante alto si se realiza pide una s´ ola PCB, se recomienda entonces, que para el caso del laboratorio, se traigan las cinco restantes PCB que har´ıan falta para equipar el laboratorio. • El presente trabajo s´ olo abarca la comunicaci´on entre el S7 1200 y el Arduino Uno para entradas y salidas digitales. En el futuro se deber´ıa ampliar la tarjeta para poder utilizar comunicaci´on de se˜ nales anal´ogicas. Esto debido a que el PLC utiliza sus se˜ nales anal´ogicas de - 10 V a 10 V mientras el Arduino utiliza se˜ nales de 0 V a 5 V. • Si bien del proyecto anterior a este, se tienen ya tres plantas las cuales funcionan en LabVIEW, se recomienda realizar en un futuro m´as plantas. Esto debido a que las plantas ya dise˜ nadas no presentan un nivel de dificultad tan alto como el que se maneja en otros casos en el curso de Automatizaci´ on Industrial. Adem´as, para efectos del curso entre m´as plantas se tengan m´ as posibilidades para realizar distintas pr´acticas se tendr´ an. • Si se realizan nuevas plantas para el futuro se recomienda asegurarse de guardarlas en un formato tal que sea compatible con la versi´on de LabVIEW que se tienen en el laboratorio de Automatizaci´on Industrial. • Para las pruebas o pr´ acticas que se realicen utilizando los m´odulos de 5 V 2 channel relay, se recomienda que se compren cables para arduino tipo hembra - hembra ya que el usar estos ahorra mucho tiempo y asegura el funcionamiento correcto de los rel´es. • Se recomienda tambi´en para un futuro el desarrollar plantas con procesos anal´ ogicos y control continuo para que as´ı el estudiante tambi´en pueda practicar con algoritmos de control PID. • Debido a que la interfaz desarrollada es un producto el cual surge a partir de una necesidad para la educaci´on, se recomienda evaluar la posibilidad de comercializar la interfaz como un producto para la educaci´on en universidades que presenten una necesidad similar a la explicada en el presente trabajo.

Bibliograf´ıa [1] (2013). Electronic Brick of Relay. ITead Studio. [2] Arduino (2014). Arduino p´ agina web oficial. Accesado el 17/6/2014 a las 17:00 de http://arduino.cc/. [3] Barbado, J., Mart´ın, J., y Aparicio, J. (2013). Automatismos Industriales. AlfaOmega, M´exico D.F., M´exico. [4] ITead Studios (2014). P´ agina electr´ onica ITead Studios. ITead intelligent systems Co. Ltd., Accesado el 13/6/2014 a las 13:09 desde http://blog.iteadstudio.com. [5] Mandado, E., Marcos, J., Fern´andez, C., y Armesto, J. (2010). Aut´ omatas programables y sistemas de Automatizaci´ on. AlfaOmega, M´exico D.F., M´exico, segunda edici´on. [NTE Inc.] NTE Inc. NTE3221 datasheet. NTE Inc., Bloomfield, NJ. [7] Ruiz, L. (2013). Creaci´ on de plantas virtuales para pruebas de control de eventos discretos. Escuela de Ingenier´ıa El´ectrica, Universidad de Costa Rica. [8] Simatic (2012). Manual del sistema S7 1200. Siemens. [9] Svensson, B., Danielsson, F., y Lennartson, B. (2012). Time-synchronised hardware-in-the-loop simulation. ELSEVIER. [10] Texas Instruments (2004). LM124-n family datasheet. Texas Instrument.

47

A Disposici´ on de los pines digitales del Arduino seg´ un Ruiz para cada planta Cuadro A.1: Conexi´ on Pines digitales del Arduino planta con tanques en serie (7).

Pin Digital

Condici´on

Variable

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Salida Salida Salida Salida Salida Salida Entrada Entrada Salida PWM Salida PWM Entrada

Nivel tanque 2 vac´ıo Nivel tanque 2 medio Nivel tanque 2 lleno Nivel tanque 1 vac´ıo Nivel tanque 2 medio Nivel tanque 2 lleno qe qe2 h1 h2 k

49

A Disposici´ 50 on de los pines digitales del Arduino seg´ un Ruiz para cada planta

Cuadro A.2: Conexi´ on Pines digitales del Arduino sistema de doble bomba (7).

Pin Digital

Condici´on

Variable

2 3 4 5 8 9 10 11 12

Salida Salida Salida Salida Entrada Entrada Salida PWM Salida PWM Entrada

LLL LL HL HHL ke k1 qe2 h qe

Cuadro A.3: Conexi´ on Pines digitales del Arduino control tr´afico vehicular (7).

Pin Digital

Condici´on

Variable

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Salida Salida Salida Entrada Entrada Entrada Entrada Entrada Entrada Entrada Entrada Salida

Carro A Carro B Carro C Peat´on verde Peat´on rojo Verde Horizontal Amarillo Horizontal Rojo Horizontal Verde vertical Amarillo Vertical Rojo vertical Pulsador paso peatonal

B Esquem´ atico del Electronic Brick of Relay

51

8

7

6

5

VCC_BAR

4

2

B

4

NC COM NO

3

2

1

1

1

2

J3

3

2

1

J2

PTH TERMINAL-3P

DATA

4

C0603 100NF

SCL/RX

C1

VCC

S1

1

S8050 U1

4

3

1

5

3

SDA/TX

GROVE4P PTH

2

R0603 1K R1

5

CON-3X1

6

2

GND

RELAY_5V

2

C

3

D1

2

SMT 1N4148

1

D2

VCC

2

GND

1

6 5 4 1

1 2 3

J1

6

LED

R0603 1K

D

7

A A C

2C R3

1

C A

3 A C E

2

C

B

A

8

R0603 10K

R2

1

ELECBRICK-4P

3

ENGINEER:

TITLE:

3

2

RELAY V2.0

2

ZHENQIANG LEE

DATE:

PAGE:

1

1

2013/1/31

1

D

C

B

A

C Esquem´ atico del 2 Channel 5 V Relay

53

A

B

C

CH1

1 1K

R2 2

1

D1 B

A

E 2

C 3

K

Q1

3

4

K1

2 NO

CH2

3X1-PIN

NC

J1

RELAY-5PIN-BIG

1

1 2 3

2

VCC

4

D4

D

1K

LED

2

R1

1

2

R3

1

K

A

1K

LED

R6 1 K A

2 R4 1

1 1K

R5 2

1

3

D3 B

VCC

A

E 2

C 3

K

5

Q2

3

4

K2

2 NO

D9

VCC

Date：

File Name:

Designed by

Sheet Name:

CH1 CH2

VCC 1 2 3 4

Rev:

4X1-PIN

J3



1

Page Num:

1 of 1

relay 2ch V1.0.sch Page size: B

Project Name:

Company:

3X1-PIN

NC

J2

RELAY-5PIN-BIG

1

1 2 3

2

2

6

10K LED

R13 1 K A

5

10K

5

10K

D2

A

B

C

D