Siemens Analogicas S7-300

Roberto Álvarez Sindín. IES Cavanilles. Alicante

Sistemas Programables Avanzados

USO DE SEÑALES ANALÓGICAS EN SIEMENS S7 300 Las tarjetas analógicas de S7 convierten: 



Para la lectura de entradas analógicas, un valor analógico procedente de un sensor o transductor en un valor digital de 16 bits que se almacena en la periferia del S7. Para las salidas analógicas, un valor digital de 16 bits de la periferia de salidas en una señal analógica mediante un conversor digital-analógico.

Existen dos parámetros que determinan una entrada o una salida analógica: 



El tipo de sonda (en el caso de entradas), o el tipo de actuador (en el caso de salidas), a conectar (4-20 mA, 0-10 V, etc...). La resolución a alcanzar en la lectura o escritura. Cuanta mayor sea la resolución, mayor será la exactitud de la lectura y menor el error entre el valor real y el almacenado en el autómata. Por contra, también será mayor el tiempo de conversión analógico / digital y por lo tanto las variaciones en el proceso tardarán más en reflejarse en el PLC.

Bornero y cableado de las E/S analógicas integradas en la CPU 313C/314C-2. Estos modelos integran 5 E/2S, con una resolución de 11 bits + signo signo y un tiempo de conversión por canal de 1ms. Aparte de la configuración que se haga de las E/S en el programa, se deberán cablear los terminales en función de que se trabaje en modo tensión o en modo corriente . Existe aislamiento galvánico entre los canales y la CPU, pero NO entre las distintas E/S.

En la tabla se reproducen los valores en función de la resolución de la tarjeta. Al ser de 11 bits tendremos que las medidas se irán incrementando en valores de 16 unidades (10 hex en hexadecimal). Esto es, los 32768 valores que admite el canal irán ‘saltando’ de 16 en 16 (total de 2048 valores posibles

para 11 bits de resolución). Analógicas en Siemens S7 300

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Representación de los principales valores de medida Como hemos comentado, las E/S analógicas utilizan un canal de 16 bits para su representación, con lo que los valores posibles son 2 16 = 65536 (valor entero). Word (INT) Posición bit

Byte Alto

Byte Bajo

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

20

Peso bit

2

Valor analógico

(S)

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

Valor digital del dato analógico (INT)

Sin embargo, como puede haber tarjetas con rangos bipolares (+/-), se utiliza el bit de mayor peso para el signo (S), por lo que los valores efectivos serían de -32768 a +32767. En el caso de señales unipolares (sólo valores positivos), los datos negativos son ignorados. Además, parte de ese rango se reserva para un margen de saturación y desborde del valor de la entrada o salida. En la práctica los valores nominales van de -27648 a + 27648.

Entradas: Rangos de medida de tensión La más utilizada en la industria es 0-10V. El Simatic S7 300 posee el rango +/-10V. El inconveniente de este tipo de lectura es que al ser una tensión, las distancias sin atenuación de la señal debido a caídas de tensión en el cable son relativamente cortas, por lo que la sonda debe estar cerca del cuadro eléctrico donde se encuentre el módulo analógico. Los límites de lectura son:

Analógicas en Siemens S7 300

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Entradas: Rangos de medidas de intensidad Dentro de las medidas de intensidad se suelen utilizar principalmente dos tipos: 0-20 mA. y 4-20 mA. Las medidas por intensidad es el más utilizado en la lectura analógica, ya que permite grandes distancias al ser la lectura por corriente, y a la vez es fácil reconocer la rotura del hilo, ya que por debajo de 4 mA indica el mal funcionamiento del sensor.

Entradas: Rangos de medida PT100: Las sondas PT100 se utilizan para la medida de la temperatura en procesos que oscilen entre 850ºC y – 200ºC. Una PT100 es una termo-resistencia que varía su resistividad en función de la temperatura que exista en contacto con la misma. A través de dos hilos (1 canal del módulo de entradas analógicas), se hace circular por la PT100 una corriente constante. Otros dos hilos toman la medida de la resistencia en los extremos de la sonda, con lo que se obtiene la variación de resistencia, y al ser conocida su linealidad con respecto a la temperatura en los márgenes anteriormente citados, se obtiene ésta.


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Observar que lógicamente una sonda PT100 consumirá dos canales de entradas analógicas: 1 para la lectura en extremos de la sonda, y otro para la corriente constante que se suministra a la misma. Si la lectura se realizara por el mismo cable con el que se alimenta la PT100, las fluctuaciones de la resistencia del cable de cobre que une el PLC a la sonda con respecto a la temperatura variarían la magnitud de lectura. Por lo tanto, en una tarjeta de 8 entradas analógicas sólo se podrán conectar 4 sondas PT100.

Salidas a tensión +/- 10 V

Salidas a tensión de 0 a 10 V y de 1 a 5 V.

Salidas a corriente de 0 a 20 mA y de 4 a 20 mA.

Nota: Para otros sensores analógicos consultar el manual de producto A5E00105507-08 y el del módulo y sensor correspondientes.


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Conexión de entradas Analógicas: Existen dos partes en una lectura analógica: la parte correspondiente al módulo de entradas analógicas del PLC, y la correspondiente al propio transductor o aparato de campo que genera la magnitud. Desde el punto de vista del módulo del PLC puede ser: 

Entrada analógica activa: es la que se encarga de dar la energía a la conexión entre la transductor y la sonda, ya sea para que exista tensión (0-10 V) o corriente (4-20 mA). Se denomina a estas configuraciones “dos hilos”.



Entrada analógica pasiva: es la que no genera ni tensión ni corriente en sus extremos, limitándose a recoger la medida esperada y convertirla a un valor digital. Se denomina a estas configuraciones “a cuatro hilos”.

Conexión de sensores de tensión: Para leer una sonda de 0-10 V pasiva se cablea como muestra la figura. En Hardware, se selecciona en tipo de medición V, y en margen +/-10V. El PLC suministra la tensión al sensor.

Conexión de sensores de corriente: Transductor de medida a 2 hilos con alimentación a través del módulo El transductor de medida a 2 hilos es alimentado a través de los bornes del módulo de entradas analógicas con protección contra cortocircuitos. El transductor de medida a 2 hilos convierte entonces la magnitud medida en una intensidad. Los transductores a 2 hilos deben ser sensores de medida aislados.


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Transductor de medida a 2 hilos con alimentación de L+ Si la tensión de alimentación L+ se aplica desde el módulo, el transductor de medida a 2 hilos se deberá parametrizar en STEP 7 como transductor de medida a 4 hilos.

Transductor de medida a 4 hilos Los transductores a 4 hilos disponen de alimentación separada L+ / M.

Conexión de termorresistencias y resistencias Al medir la resistencia, el módulo suministra una corriente constante a través de los bornes IC+ e IC-. La corriente constante se conduce a través de la resistencia a medir. Dicha corriente se mide luego como caída de tensión. Es importante que los conductores de corriente constante conectados se enlacen directamente con la termorresistencia/resistencia. Las mediciones con conexiones a 4 o 3 hilos parametrizadas compensan las resistencias de potencia, alcanzando así una precisión mucho mayor que al medir con una conexión a 2 hilos. Las mediciones con conexión a 2 hilos captan no sólo la resistencia en sí, sino también las resistencias de potencia. Conexión a 4 hilos de una termorresistencia (PT100) La tensión producida en la termorresistencia se mide con alta impedancia a través de los bornes M+ y M-. Efectúe la conexión con la polaridad correcta del conductor conectado (aplicar IC+ y M+, así como IC - y M- a la termorresistencia). Asegúrese también en esta conexión de que los conductores conectados IC+ y M+ , así como los conductores IC- y M-, queden enlazados directamente con la termorresistencia.


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Conexión a 3 hilos de una termorresistencia Para la conexión a 3 hilos a módulos con 4 bornes debe colocarse normalmente un puente entre M- e IC-. Cerciórese también en esta conexión de que los conductores conectados IC+ y M+ queden enlazados directamente con la termorresistencia. La figura muestra la interconexión básica.

Conexión a 2 hilos de una termorresistencia. Para la conexión a 2 hilos deben colocarse en el módulo puentes entre M+ e IC+ y entre M- e IC-. Las resistencias de potencia se incluyen en la medición.

Conexión de termopares con compensación interna En la compensación interna es posible formar la unión fría en los bornes del módulo de entradas analógicas. En este caso es necesario llevar los conductores de compensación hasta el módulo analógico. El sensor de temperatura interno mide la temperatura del módulo y genera una tensión de compensación adecuada. Con la compensación interna no se obtiene la misma precisión que con la compensación externa. Es imprescindible conectar correctamente la polaridad, pues de lo contrario se obtienen considerables resultados erróneos.


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Configuración de las entradas / salidas analógicas integradas en Step7. Ir a Hardware → seleccionar el modulo de AI5/AO2 → veríamos lo siguiente: General

Direcciones:

Las entradas serian: PEW752, PEW754, PEW756, PEW758, PEW760. Las salidas serian: PAW752, PAW754.

Configuración de entradas

Configuración de salidas

La pestaña de entradas nos permitirá seleccionar los La pestaña de salida nos permite seleccionar los siguientes siguientes parámetros: parámetros: Tipo: V, I, desactivada. Tipo: V, I, desactivada. Margen: 0-10V, +/-10V, 0-20mA, 4-20mA,+/-20mA. Margen: 0-10V, +/-10V, 0-20mA, 4-20mA,+/-20mA. En la entrada 4, está reservada para una PT100. Recordar que tras una configuración HW tendremos que compilar y guardar los cambios y transferirlos después al PLC.

Para la simulación con el STEP7, la realizaremos utilizando “Variables Generales”, y seleccionaremos “Regul. Dec” o “Regul. Ent”


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Uso de las señales analógicas en programa Una vez determinados los canales en los que se encuentran los valores de las entradas analógicas, su programación se reduce a trabajar con las palabras, teniendo en cuenta los valores que pueden adoptar en función del tipo de señal. Hay que recordar que los valores nominales están entre -27648 y +27648, aunque el rango de la señal es más amplio ya que incluye los rebases y desbordamientos (-32768 a +32767). Por ejemplo, si tuviéramos un sensor de 0 a 10 V midiendo el nivel de líquido de un depósito y quisiéramos que se activase una alarma cuando el nivel estuviera por debajo del 12% (1,2V), tendríamos que calcular el valor que correspondería, con una simple regla de 3.  

   

 

Por tanto, bastaría con hacer la comparación (INT) con ese valor y activar la señal de alarma correspondiente. Veámoslo con un PLC. Aunque no vamos a usar la salida analógica, la habilitaremos y pondremos en ella el valor de la señal de entrada, de forma que en el voltímetro me muestre la tensión que tengo en la entrada. Primeramente configuramos las E/S analógicas. Desde el HW del PLC, doble clic sobre las E/S analógicas, para abrir la ventana de configuración, anotamos las direcciones y configuramos la primera entrada y la primera salida en el rango de 0-10V.


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Con el simulador o con el PLC podemos comprobar el funcionamiento:

Cuando el valor de la PEW752 esté por debajo de 3318 (equivalentes a 1,2 V medidos en el sensor), se activará la salida de alarma de nivel bajo A0.1. Si nuestro depósito tuviera una altura de 15 metros, donde el sensor detectaría 0 V para el depósito vacío y 10 V para el depósito lleno, el nivel de alarma se activaría cuando el depósito bajase de 1,8 metros (los 1,2 voltios del sensor).

Estos tipos de cálculos pueden ser algo laboriosos y dados a confusiones. Existen una serie de funciones integradas que nos facilitan el trabajo con señales analógicas. De esta forma en vez de con los valores de conversión, trabajemos directamente con los valores de magnitud medida, escalados al rango de trabajo que nos está midiendo el sensor. Así tendremos la función SCALE para escalar el valor de las entradas y UNSCALE para des-escalar el valor de las salidas.


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Función SCALE (escalado de una entrada analógica) Esta función la podemos encontrar en: Librerías Standard →Library TI-S7 →Converting Blocks FC105 La función SCALE sirve para escalar el valor de una entrada analógica entre dos valores (máximo y mínimo). También podríamos escalar cualquier otro registro que no sea una entrada analógica. Parámetros: EN: IN: HI_LIM: LOW_LIM: BIPOLAR: OUT: ENO: RET_VALUE:

Cuando tengamos un 1 se ejecuta la función. Si hay un 0, la función es saltada (no se ejecuta). Valor de entrada (número de entrada analógica). Formato entero 16 bits INT. Valor máximo deseado de salida (OUT). Número REAL, doble palabra o constante (32 bits). Valor mínimo deseado de salida (OUT). Número REAL, doble palabra o constante. Si vale 0 (trabajamos con valores entre 0 y 27648). Entrada analógica de 0 a 10 V. Si vale 1 (trabajamos con valores entre –27648 y +27648) Entrada analógica de –10V a +10 V. Valor de salida escalado entre el valor máximo y mínimo. Formato REAL. Vale 0 si el valor de IN es superior o inferior al límite (-27648 o + 27648). En este caso, además en OUT sale el valor máximo o el mínimo según se rebase en positivo o en negativo. Registro de error. Vale W#16#0000 si el escalado se ha hecho correctamente. Vale W#16#0008 si IN sale de los limites máximo o mínimo.

Ejemplo: Sobre el ejemplo anterior del nivel del depósito, realizamos el escalado de la entrada entre 0 y 15 m, depositando el resultado en la MD52, lo que nos mostrará el valor en metros que tiene el depósito en cada momento. Comprobamos que para el valor 3318 obtenemos aproximadamente 1,8 metros en el nivel del depósito.

NOTA 1: En este caso BIPOLAR debe estar desactivado (medimos de 0 a 10V), pero como en modo KOP no permite poner a ese valor FALSE, lo asignamos a una marca que sabemos que estará desactivada (M100.0, por ejemplo). NOTA 2: Recordar que 15.0 y 0.0 representan valores REALES de 32 bits. Cuando pongamos una constante en formato REAL, aunque la constante no tenga decimales como en nuestro caso, tenemos que poner 100.0 si solo ponemos 100 el entiende que es un número entero y no tiene c abida en una función de números reales. Analógicas en Siemens S7 300

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Gráficamente tendremos la función escalado como una recta proporcional entre el valor de la señal analógica y los límites entre los que aplicamos la función. Por ejemplo para una temperatura entre 0 ºC y 100 ºC, tanto con un sensor de 0 a 10 V, como en el caso BIPOLAR de +/- 10V. Gráficamente se podría representar (caso de 0-10V o 4-20mA):

Para el caso de +/-10V (BIPOLAR)

Función UNSCALE (desescalado de una salida analógica) Esta función la podemos encontrar en: Librerías Standard →Library TI-S7 →Converting Blocks FC106 La función UNSCALE sirve para desescalar el valor (máximo y mínimo) de un registro sobre una salida Analógica. También podríamos desescalar cualquier otro registro que no sea una salida analógica. Parámetros: EN: IN: HI_LIM: LOW_LIM: BIPOLAR: OUT: ENO: RET_VALUE:

Cuando tengamos un 1 se ejecuta la función. Si hay un 0, la función es saltada. Valor de entrada .Registro en formato REAL 32 bits. Valor máximo deseado del valor de entrada (IN). Número REAL, doble palabra o constante Valor mínimo deseado del valor de entrada (IN). Número REAL, doble palabra o constante Si vale 0, daremos valores de salida entre 0 y 27648). Salida analógica de 0 a 10V Si vale 1, daremos valores de salida entre –27648 y +27648) .Salida analógica de –10V a +10V Valor de salida escalado. Formato INT 16 bits. Vale 0 si el valor de IN es superior al límite inferior o al superior (HI_LIM o LOW_LIMIT). En este caso, además en OUT sale el valor máximo o el mínimo según se rebase en por encima o por debajo. (0 o 27648). Registro de error. Vale W#16#0000 si el escalado se ha hecho correctamente. Vale W#16#0008 si IN sale de los limites máximo o mínimo.

Ejemplo: Queremos controlar la velocidad de un motor mediante un variador de frecuencia. El variador tiene una consigna de 0- 10 Voltios. Con 0 voltios, el motor ira a 0 rpm y con 10 voltios, irá a 1500 rpm. Usando la función UNESCALE bastará con ir dando un valor a MD10 entre 0 y 1500, ese valor se convertirá en un valor en la salida analógica entre 0 y 27648, que a su vez hará que la salida analógica de una señal entre 0 y 10 Voltios.


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Para poder dar valores a MD10, utilizar la tabla de estado, forzando valores de 0 a 1500. Actividad 1: Fuerza un valor inferior a 0 o superior a 1500 y comprueba que ocurre en el AW752 y en el MW0 Ejercicio: Añadir a este ejercicio cuatro movimientos de datos a MD10 con los valores 0.0, 300.0, 600.0, 900.0, 1200.0 y 1500.0.

Ejemplo: Consigna de máximo y mínimo de una entrada analógica. Sobre el ejemplo anterior del depósito, con una sonda conectada a PEW752 mido en nivel del depósito entre 0 y 15m, y me da una señal de 0 a 10 V. Queremos tener una alarma de mínimo y una de máximo del nivel.  

Debe de activarse la alarma de máxima cuando el valor del depósito supere los 12,5 m. Debe de activarse la alarma de mínima, de forma intermitente cuando el nivel del depósito este por debajo de 2 m.

Haciendo una proporción sobre los valores límite de la sonda anterior (0 a 15 m):  

Tendré 12,5 m cuando el valor en PEW752 sea de 22957. Tendré 2 m cuando el valor en PEW752 sea de 3361.

Actividad: Realizar el mismo ejercicio con escalado y poniendo los datos en una palabra. En este caso, utilizando la función SCALE, ya tengo en MD10 en formato REAL el valor del nivel que lee el PEW752, con lo cual puedo realizar la comparación de forma directa. Si en lugar de poner las constantes 12.5 y 2.0 ponemos dos registros en formato Real, desde un terminal de operador o desde un sistema Scada podríamos cambiar los valor de consigna con solo forzar los valores que nos interesen a MD20 (consigna de máxima) y MD30 (Consigna de mínima).

Vídeo del tema en YouTube: https://youtu.be/OuyJIbdPMMM

Este trabajo se distribuye bajo licencia Creative Commons BY-NC-SA http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/


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