PROTOCOLOS DE COMUNICACION USADOS EN VARIADORES DE VELOCIDAD
PROFIBUS. La base de la especificación del estándar Profibús fue un proyecto de investigación (1987-1990) llevado a cabo por los siguientes fabricantes: ABB, AEG, Bosch, Honeywell, Moeller, Landis & Gyr, Phoenix Contact, Rheinmetall, RMP, Sauter-cumulus, Siemens y cinco institutos alemanes de investigación. Hubo además una pequeña esponsorización por parte del gobierno alemán. El resultado de este proyecto fue el primer borrador de la norma DIN 19245, el estándar Profibús, partes 1 y 2. La parte 3, Profibús-DP, se definió en 1993. Profibús es una de los buses de campo abiertos que cumple con todos los requerimientos en un rango muy amplio de aplicaciones. Es también la norma de comunicaciones favorita en el continente europeo y presume de tener el mayor número de instalaciones operando en el mundo. Además de ser abierto, no pertenece a ningún fabricante en particular, está certificado y es a todas luces un producto orientado a satisfacer las necesidades de automatización y control de procesos en las próximas décadas. Es abierto, porque permite que los dispositivos de los diversos fabricantes certificados en este bus se comuniquen entre ellos sin necesidad de utilizar interfases. Las principales normalizaciones derivan de los estándares europeos EN 50170 y DIN 19245. Ser de origen europeo parece ser una de las razones por las que esta tecnología no ha tenido una amplia penetración de mercado en Estados Unidos, Canadá y México, a pesar de la gran calidad de su desarrollo. El protocolo no pertenece a ningún proveedor en particular, aunque al principio fue un desarrollo mayoritariamente alemán, últimamente, para garantizar una mayor apertura y evolución, se cedieron los derechos de uso, evolución y promoción del mismo a organismos independientes. Gracias a grupos promotores como Profibús International y Profibús Trade Organization, en 23 regiones del mundo hay cerca de 1.000 miembros que ofrecen alrededor de 1.900 productos y servicios compatibles con esta tecnología. Por otro lado, las especificaciones del bus satisfacen en su totalidad los requisitos de la mayoría de los organismos certificadores europeos, reconocidos en todo el mundo como los que establecen mayores exigencias para certificar una tecnología o un producto. Por si esto fuera poco, como ya se mencionó en el punto anterior, IEC aprobó las especificaciones de Profibús como una norma internacional (IEC 61158), no dejando duda alguna sobre la confianza que hay en la misma para ser usada en cualquier proyecto de automatización y control de procesos industriales. PERFILES DE PROFIBUS: Profibús cumple con los requerimientos de automatización y control mediante tres perfiles del protocolo que son compatibles entre sí: Profibús-FMS, Profibús-DP y Profibús-PA. Los dos primeros constituyen los perfiles típicos de comunicación de Profibús mientras que el último es un perfil de aplicación, construido a través de la combinación del perfil de comunicación DP con un conjunto de funciones adicionales. Estas adiciones proveen a PA con tecnología de transmisión y alimentación de dispositivos por medio del bus, cubriendo así las necesidades de los dispositivos de campo.
Profibus-FMS, Fieldbus Message Specification, Specification, es el perfil de comunicación capaz de manejar todas las tareas intensivas de transferencia de datos muy comunes en las comunicaciones industriales, por lo que se le considera la solución universal para la transferencia de información en el nivel superior y de campo del modelo jerárquico de automatización. Es la solución general para tareas de comunicación a nivel de control. Los potentes servicios FMS abren un amplio rango de aplicaciones y proveen de gran flexibilidad. También puede ser empleado para tareas de comunicación extensas y complejas. Está concebido para comunicar elementos de campo complejos que dispongan de interface FMS. Se pueden alcanzar velocidades de transmisión de hasta 1,5 Mb/sg. en función del medio utilizado. Sistema multimaestro . Profibus-DP, Decentralized Periphery, Periphery, Está optimizado para ofrecer mayor velocidad, eficiencia y bajo costo de conexiones porque fue diseñado específicamente para establecer la comunicación crítica entre los sistemas de automatización y los equipos periféricos. Velocidades de comunicación de hasta 12 Mb/sg. Esta versión de Profibus está diseñada especialmente para comunicación entre sistemas automáticos de control y E/S distribuidos a nivel de campo (periferia distribuida). Los mensajes de diagnóstico se transmiten sobre el bus y se recuperan en la estación maestra. Es un sistema monomaestro.
Profibus-PA, Process Automation, En Profibus-PA se utiliza la tecnología de transmisión especificada en IEC 1158-2. Es una transmisión síncrona a 31.2 kbits/seg que satisface requerimientos muy importantes en las industrias química y petroquímica: seguridad intrínseca y suministro de energía a los dispositivos a través del bus mediante el simple uso de cable de cobre de dos hilos. De esta manera, es posible utilizar Profibus en áreas peligrosas. Se pueden utilizar topologías lineales, en árbol y estrella. En este perfil se definen, de manera independiente al fabricante, los parámetros y la conducta de los dispositivos de campo típicos, tales como transductores de medición, posicionadores, válvulas de control, etc. La descripción de las funciones y el comportamiento de los dispositivos se basa en el modelo de Bloques de función reconocido internacionalmente. Esto quiere decir que, siempre que sea compatible con Profibus, un dispositivo de un fabricante en particular puede ser reemplazado en el bus por el de cualquier otro fabricante sin necesidad de utilizar interfases especiales. PERFILES, CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES DE PROFIBUS
FUNCIONAMIENTO DE PROFIBUS: En el protocolo Profibus se establecen las características de comunicación de un sistema de bus de campo serie. Puede ser un sistema multimaestro que permite la operación conjunta de varios sistemas de automatización. Hay dos tipos de dispositivos que caracterizan a Profibus: Dispositivo Maestro y Dispositivo Esclavo, también llamados dispositivos activos y pasivos. Los dispositivos maestros, pueden enviar y solicitar datos a otras estaciones, siempre que mantengan el derecho de acceso (token) al bus. Los dispositivos esclavos sólo pueden enviar datos cuando un participante maestro se los ha solicitado. Los dispositivos esclavos son periféricos, tales como dispositivos entrada/salida, islas de válvula, transductores de medida y en general equipos simples de campo. Por el contrario los dispositivos maestros suelen ser equipos inteligentes, como por ejemplo autómatas programables. Podemos tener así mismo
integrados en estos sistemas elementos que se pueden programar para funcionar como maestros o como esclavos. Profibus utiliza un método mixto para ordenar la comunicación entre estaciones. El método que utiliza para comunicarse entre una estación maestra y otra es del tipo token bus, mientras que la comunicación entre una estación maestra y una esclava es del tipo maestroesclavo. El método token bus asegura por medio de un token (testigo) la asignación de los derechos de acceso del bus dentro de un intervalo de tiempo definido. El token es un telegrama especial que transfiere los derechos de transmisión de una estación maestra a la siguiente. El tiempo que transcurre desde que una estación da el testigo a la siguiente hasta que lo vuelve a recuperar se denomina “tiempo de rotación”. Se puede configurar el tiempo máximo de rotación para pasar el token entre todas las estaciones maestras. El método maestro-esclavo permite que la estación maestra que posee los derechos para transmitir pueda comunicarse con sus estaciones esclavas. Cada estación maestra tiene el control para transmitir y solicitar datos a sus estaciones esclavas. Por un tiempo definido, después de que una estación maestra recibe el token, ésta tiene permitido ejercer su función sobre el bus, esto es, puede comunicarse con todas las estaciones esclavas en una relación maestro-esclavo y, al mismo tiempo, en una relación maestro-maestro con todas las estaciones maestras. ARQUITECTURA BASICA: Tenemos que precisar que Profibus sólo satisface tres capas del modelo OSI, Física (1), Enlace de datos (2) y Aplicación (7), como casi todos los buses de campo.
CABLES Y CONECTORES PARA PROFIBUS El protocolo de comunicación DP utiliza las capas 1 y 2 que se complementan con una interfase de usuario. El protocolo FMS usa las capas 1, 2 y 7. La capa 1 del modelo corresponde a la capa física y es donde se establece el medio físico para diferentes técnicas de transmisión. En la capa física también se provee transmisión con seguridad intrínseca y la alimentación eléctrica a las estaciones de la red. Los medios más comunes son el hilo de cobre trenzado y la fibra óptica. RS-485 es la tecnología de transmisión más utilizada por Profibus. Ésta se aplica en todas las áreas en donde se requiere una alta velocidad de transmisión. Es fácil de manejar porque la instalación de la misma no requiere un conocimiento experto. Sólo se necesita usar un cable de cobre de par trenzado apantallado. La estructura del bus permite agregar y eliminar estaciones del sistema sin afectar a las demás. La velocidad de transmisión se encuentra en el rango de 9.6 kbit/seg a 12 Mbit/seg. En cada segmento del bus sin repetidor, pueden conectarse hasta 32 dispositivos y hasta 127 dispositivos cuando utilizamos repetidores. La máxima longitud del cable (trenzado y apantallado) depende de la velocidad de transmisión
Como en la mayoría de los esquemas de red, al principio y al final de la línea de cada segmento se debe conectar una resistencia terminadora. No está por demás decir que el cableado del bus tiene tanta importancia que el 90% de los fallos registrados en una instalación Profibus es causado por la instalación defectuosa de cables y terminales. Los conductores de fibra óptica se utilizan en ambientes donde se encuentre una gran interferencia electromagnética, también en aplicaciones en que se necesita proveer un aislamiento eléctrico perfecto, o en aquellos otros casos en que se requiere incrementar la máxima distancia del bus sin degradar la velocidad de transmisión.. Algunos fabricantes también ofrecen acopladores entre RS-485 y fibra óptica. La capa 2 es la de enlace de datos, donde se define cuando una estación puede transmitir o recibir datos según se ha descrito anteriormente. La capa 7, sólo se utiliza en FMS, es la de aplicación, y se encarga de proveer los servicios de comunicaciones que pueden ser utilizados por el usuario. EL FUTURO DE PROFIBUS:
Los organismos autónomos que promueven Profibus siempre están atentos a la evolución de las tecnologías informáticas y de comunicaciones para incluirlas en el protocolo y poder conservar siempre la compatibilidad con las mismas. Recientemente, ha habido muchos avances tecnológicos que están creando nuevos oportunidades, tal es el caso de OPC, internet TCP/IP y ethernet industrial. Profibus mantiene plena compatibilidad con todas estas nuevas tecnologías que serán dominantes en los próximos años. Recientes estudios de mercado llevados a cabo por e mpresas ajenas a la Organización de
Usuarios de Profibus señalan a éste como el bus con más futuro en el campo de los procesos industriales.
APLICACION
A continuacion se va hacer una descripción del software TIA PORTAL v13 de Siemens que utilizaremos para crear el programa que ejecutará el PLC. Tenemos que tener en cuenta que debemos configurar el variador de frecuencia para que funcione con esta configuración (ver Anexo I) Este software nos permite definir el hardware que vamos a utilizar además de las conexiones entre los diferentes equipos. También lo usamos para la creación del programa (en este caso usaremos lenguaje KOP) y para la simulación del mismo (para la simulación se necesita el software PLCSim). Además el software nos permitirá incluir una pantalla táctil (HMI, Human-Machine Interface) con la que poder manejar el programa de forma más sencilla y visual. CONFIGURACIÓN DEL HARDWARE Lo primero que debemos hacer al crear el proyecto es incluir los equipos que vamos a usar y sus conexiones. En nuestro software encontramos esta herramienta en la pestaña Configuración de equipos. Primero incluimos los equipos del autómata descritos en el apartado 4.4.2, cada uno en su posición correspondiente. Además tienen que estar colocados de forma contigua para que la fuente de alimentación pueda llevar energía a todos los equipos. La posición 3 del rack (ver en la siguiente figura) está reservada para conectar PLCs entre sí, por lo que no la utilizaremos en nuestro proyecto.
Configuración hardware del autómata programable
En la zona de Catálogo podemos elegir todos los componentes que necesitemos para nuestro equipo además de darnos información de cada uno de ellos. Luego incluimos el variador Micromaster 420 que encontraremos en el catálogo. Tambien tenemos que elegir el tipo de trama que se usará a la hora de comunicarse con el PLC vía PROFIBUS. En nuestro caso seleccionaremos la opción de PPO1 que nos permite controlar el motor y además acceder a los parámetros del variador
Configuración del Hardware del variador Los diferentes modos de transmisión del telegrama se diferencian en la cantidad de datos que envíen en cada uno de ellos. Se distinguen dos zonas: PKW y PZD
PKW. Área de parámetros. Permiten al usuario acceder a través del bus de campo a todos los parámetros del convertidor, de forma que se puede leer/escribir de forma remota dichos parámetros.
PZD. Área de proceso. Se utiliza para transmitir palabras de mando o valores de consigna del maestro al convertidor o palabras de estado y valores reales o de medida del convertidor al maestro. Para nuestro caso de PPO1 tenemos la siguiente división:
La dirección de entrada/salida para nuestros paquetes de PPO1 será: PKW: 256-263 PZD: 264-257 Una vez configurado el variador de frecuencia, incluimos la pantalla táctil con la que podemos trabajar más fácilmente. Seleccionamos el panel KTP1000 Basic. Sus características son:
10.4” TFT.
640 x 480 pixeles.
256 colores.
Conexión MPI
Panel HMI Finalmente configuramos en la pestaña de Vista de redes la conexión entre los diferentes equipos. Conectamos el PLC por PROFIBUS al variador de frecuencia, y con una conexión MPI al panel táctil. Podemos verlo mejor en la siguiente figura:
Esquema de la red
En el cuadro del variador de frecuencia vemos como se indica el nombre del maestro, en este caso el PLC_1. Cuando hayamos acabado con la configuración del hardware podemos pasar a la edición del programa. Edición del programa Nuestro porgrama se va estructurar en el bloque principal (OB1) y en tres funciones que controlaran por un lado el motor y por otro lado los parámetros del variador de frecuencia. Para la comunicación con el variador haremos uso de bloques de datos, donde estructuraremos la información, para que sea más sencillo comprender nuestro programa. Control del motor Lo primero que debemos tener en cuenta para este apartado es la estructura de la información que vamos a transmistir. Usaremos las palabras de mando y de estado implementadas en el variador para comunicarnos con el. Junto a la palabra de mando enviaremos la consigna de frecuencia para nuestro motor. Toda esta información la estructuraremos en un bloque de datos para poder ver el valor de cada uno de sus bits y asi obtener información del estado actual del variador. La estructura de la palabra de mando podemos verla en el manual del variador de frecuencia, y es la siguiente:
Palabra de mando
Debemos tener en cuenta que primero va el byte alto y luego el byte bajo a la hora de estructurar estos datos en el DB. Del mismo modo, nuestra palabra de estado tiene la siguiente forma:
Palabra de mando En este caso también tenemos que tener en cuenta la disposición de los bytes. Por tanto ya podemos crear el bloque de datos que usaremos a la hora de transmitir la información. Además incluimos las variables para la consigna de frecuencia en su lugar correspondiente. En la siguiente imagen vemos resaltado la palabra de mando junto con su variable de consigna de frecuencia. Esta consigna de frecuencia debería tener un valor entre -100% y +100%, pero en
nuestro caso le daremos valores entre 0% y 100% y el sentido de giro lo controlaremos con sus variables correspondientes.
A continuación se colocaría la palabra de estado teniendo en cuenta la disposición del byte alto y del byte bajo. Mediante esta palabra obtenemos información del estado del variador
Ahora tendríamos que editar la función asociada al control del motor para que obtenga los datos del variador y los vuelque al DB que hemos creado. Hay que tener claro las direcciones de entrada/salida de los datos. En este caso sólo haremos uso de la zona PZD de la trama.
Esta función está compuesta por los siguientes segmentos:
El valor de frecuencia que mandamos al variador está escalada entre 0 y 16384 (4000 en Hex.) por lo que si introducimos un porcentaje debemos hacer un ajuste y multiplicarlo por 164 (hacemos una aproximación). El valor más alto corresponde al 100% de la frecuencia almacenada en el parámetro del variador. Por defecto este valor es 50 Hz pero podemos modificarlo cuando lo necesitemos. Control de los parámetros Para poder modificar y leer los parámetros del variador haremos uso de la zona PKW del telegrama PPO1. Como ya vimos anteriormente, esta zona está compuesta por tres campos (dos de tamaño WORD y uno de tamaño DWORD). Peticiones al Variador En la primera palabra de la trama (PKE) definimos el parámetro y la acción a realizar. Para hacer la petición al maestro usamos el siguiente formato: CÓDIGO + PARÁMETRO Los códigos mas usados son: (0) No hay petición del PLC al variador (1) Solicitamos el valor del parámetro al variador (2) Modificamos el valor de un parámetro del variador. El parámetro es una palabra (se cambia en RAM) (3) Modificamos el valor de un parámetro del variador. El parámetro es una doble palabra (se cambia en RAM) (13) Modificamos el valor de un parámetro del variador. El parámetro es una doble palabra (se cambia en la EEPROM) (14) Modificamos el valor de un parámetro del variador. El parámetro es una palabra (se cambia en la EEPROM) Para introducir el parámetro se debe hacer de forma hexadecimal. Por ejemplo, si deseamos leer el valor del parámetro P0700, deberíamos enviar en la palabra el valor 12BC. Respuesta del variador El variador usa el mismo formato de CÓDIGO + PARÁMETRO pero en este caso los códigos que utiliza son diferentes. Los códigos de respuesta son: (0) No hay respuesta (1) Transmite valor de parámetro (palabra) (2) Transmite valor de parámetro (doble palabra) (3) Transmite elemento de descripción 1
(4) Transmite valor de parámetro (palabra) 2 (5) Transmite valor de parámetro (palabra doble) 2 (6) Transmite número de elementos de la matriz o array (7) Petición no ejecutable (con código de fallo) (8) Falta permiso para intervenir en la interfaz PKW 1 El elemento deseado de la descripción de parámetro se indica en IND (2ª palabra) 2 El elemento deseado del parámetro indexado se indica en IND (2ª Palabra)
Los siguientes códigos acompañan al código anterior de “Petición no ejecutable” (7):
A continuación se muestran unos ejemplos de la comunicación PLC-variador para que podamos comprender mejor como funciona:
En el segmento 1 vemos que usamos el código (1) para leer, le hacemos la operación lógica OR al parámetro introducido para obtener la forma del campo PKE: Código + Parámetro. No usamos el campo PWE en este caso. A la hora de enviar y recibir los datos vemos que usamos el DB2 y DB3 respectivamente, como ya se adelantó. La dirección de lectura y escritura tiene el valor 256, que en la instrucción lo indicamos con un valor hexadecimal W#16#100. Para leer los datos obtenidos del variador solo tenemos que acceder al DB3 Parámetros_Get. La función que se usa para modificar los parámetros es la siguiente:
En este caso diferenciamos si el parámetro a modificar es una palabra o una doble palabra. En el primer caso usamos el código (2) y para el segundo caso usamos el código (3). Del mismo modo usamos los bloques de datos DB2 y DB3 y la dirección W#16#100 a la hora de enviar y recibir los datos. Como queremos modificar el valor de un parámetro debemos hacer uso del campo PWE. Pantalla HMI (Human-Machine Interface) Para hacer un uso más intuitivo del programa creamos unas imágenes HMI. Este sistema se podría considerar un subconjunto de un sistema SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), con el que se controlaría una aplicación de mayor envergadura.
Ejemplo HMI
Ejemplo SCADA
En nuestro proyecto partimos de una imagen principal desde la que podemos acceder a las distintas funciones de nuestro programa (control del motor, leer parámetros y modificar parámetros). A continuación describimos cada una de estas imágenes y veremos los elementos que las componen y las variables involucradas. Imagen Principal Es la imagen con la que se inicia nuestro HMI y nos da la posibilidad de comenzar a usar las funciones del programa. Además se añaden imágenes con información del sistema y para el control de usuarios. Para ello hacemos uso de tres botones, que al pulsar activamos la variable correspondiente a la llamada de cada función. Esta acción podemos configurarla en la pestaña Eventos de cada botón. El aspecto de nuestra imagen es el siguiente:
Imagen Principal
Vemos que disponemos los tres botones para hacer uso de las funciones implementadas, y además el botón de imágenes del sistema. También incluimos en la barra inferior (común a todas las imágenes) un botón de acceso directo a esta imagen principal, un botón de avisos no acusados, un botón de cambio de idioma, un botón de acceso de usuarios y por ultimo el botón de apagado del sistema. Si accedemos a las imágenes del sistema nos encontramos con la siguiente situación:
Imágenes de Sistema Podemos obtener información acerca del proyecto, la administración de los usuarios, información del sistema (PLC asignado, tipo de conexión…) y varias tareas como volver al
modo offline, cambiar idioma, salir del runtime. Imagen de control del motor Accedemos a esta imagen desde la imagen principal cuando pulsamos el botón Control Motor. Esta imagen nos proporciona una interfaz para poder controlar el motor de forma sencilla además de información útil que nos devuelve el variador de frecuencia.
Imagen de control del motor Vemos que tenemos varios botones para dar ordenes al variador de frecuencia, así como un campo de entrada en el que introducimos el valor de consigna como un porcentaje entre 0%100%. Además disponemos de unos leds que se activan con la información que nos devuelve el variador de frecuencia. Algunos son simplemente de información (leds verdes) y otros son de alarmas o fallos (leds naranjas y rojos). En la siguiente imagen vemos como asignamos una animación al círculo que funcionará como led en función del valor de las variables que devuelve el variador:
De esta forma asignamos una animación a cada uno de los círculos, teniendo en cuenta la variable a la que está asociado. En cambio, a los botones les asignamos su tarea en la pestaña Eventos donde encontramos diferentes acciones que pueden realizar. En este caso usaremos la acción de activar/desactivar bit o la acción de invertir bit.
Imagen de lectura de parámetros
Desde la imagen principal podemos acceder a la imagen de lectura de parámetros usando e l botón que tiene asociado.
Tenemos que introducir el numero del parámetro que queremos leer y se le aplicara el código (1) de lectura. El valor que se envía aparecerá en el cuado PKE en hexadecimal. En este caso no usamos la doble palabra PWE, que solo se usa para modificar un parámetro. En la parte baja aparecerán los valores de respuesta del variador. Los datos que aparecen en los campos PKE, IND y PWE de la zona alta están asociados al DB Parametros_Send, que son los datos que enviamos al variador. Los campos de la parte baja están asociados al DB Parametros_Get que son los datos enviados desde el variador al PLC. Si quisiéramos leer el parámetro P0700, lo introducimos en su campo:
Al enviar estos datos el variador enviaría su respuesta que recogeríamos en el DB asociado y se mostraría en la zona de Valores Obtenidos. Imagen de modificación de parámetros Esta imagen sigue con la estructura de la imagen anterior, pero tiene algún campo más. Se le ha añadido el campo Valor, en el que indicamos el nuevo valor del parámetro que queremos modificar, y se reflejara en el campo PWE. Tambien se ha añadido dos botones con los que indicamos si el parámetro a modificar es una palabra o una doble palabra. Este aspecto tiene repercusión en el código que usamos para enviar los datos (código (2) para una palabra y código (3) para una doble palabra), y podremos ver en el campo PKE.
Del mismo modo que en la imagen anterior, en la parte inferior aparecerán los datos recibidos con la respuesta del variador, donde podremos ver si se ha podido hacer bien el cambio de valor del parámetro o si ha ocurrido algún error. Veremos un ejemplo de como varía el campo PKE en función de si el parámetro que modificamos es una palabra o una doble palabra.
Para ver el funcionamiento de la aplicación debemos hacer la simulación de la pantalla junto con la simulación del PLC con el software PLCSim, como se muestra a continuación:
Simulación
En la simulación del PLC tenemos la opción de ver el valor de las variables que utilizamos y controlar los ciclos de ejecución y su tiempo, y así tener controlado el Watchdog
