FluidSim PLC

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Adolfo López Mateos.

Diseño de procesos electroneumáticos en ambientes virtuales usando una controlador lógico programable Siemens.

TESIS Que para obtener el título de ingeniero en: Ingeniería en Control y Automatización Presenta:

Víctor Iván Manzano Osornio. Asesores:

Ingeniero Antonio Arellano Aceves. Ingeniero Humberto Soto Ramírez. MÉXICO, D.F. 30 DE NOVIEMBRE DE 2011

Diseño de sistemas electroneumáticos en ambientes virtuales.

INDICE

Objetivos particulares.

2

Planteamiento del problema.

3

Justificación.

4

Introducción.

5

Capítulo 1 Marco teórico.

7

1.1 Procesos de manufactura automatizados con electroneumática

7

1.2 Dispositivos para automatización electroneumática

9

1.2.1 Dispositivos electroneumáticos 1.2.2 Controlador lógico programable (PLC) 1.2.3 Dispositivos de mando y señal 1.3 Métodos para el diseño de secuencias electroneumáticas 1.3.1 Método cascada 1.3.2 Método paso a paso 1.3.3 Metodología de Grafcet 1.4 Servidor OPC. Capítulo 2 El software y su programación.

11 14 16 23 23 26 29 36 39

2.1 FESTO FluidSim

39

2.2 Siemens STEP 7

50

2.3 Interfaz Hombre Máquina (HMI)

66

Capítulo 3 Integración de software mediante servidor OPC

72

: INDICE.

Objetivo general.

Paginas 1

II

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90

4.1 Proyecto 1 Secuencia lineal corta.

90

4.2 Proyecto 2 Secuencia lineal larga.

98

4.3 Proyecto 3 Secuencia con repetición de movimientos.

105

4.4 Proyecto 4 Secuencia con movimientos simultáneos.

115

4.5 Proyecto 5 Secuencia con etapas temporizadas.

127

4.6 Proyecto 6 Secuencia con función selectiva.

134

4.7 Proyecto 7 Secuencia con posición intermedia.

143

4.8 Comparación de los métodos de diseño.

152

Conclusiones.

155

Anexos.

156

Simbología.

156

Pasar control por relevadores a programa de PLC usando el método cascada.

159

Pasar control por relevadores a programa de PLC usando el método paso a paso.

161

Bibliografías

164

: INDICE.

Capítulo 4 Aplicación y análisis de los métodos

II I

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Objetivo general: Desarrollar el diseño de sistemas electroneumáticos a través de una metodología práctica, y mediante la integración de softwares especializados como STEP 7, PLCSim y FluidSim, verificar el correcto funcionamiento del proyecto.

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Objetivos particulares: 1) Diseñar sistemas electro-neumáticos aplicando metodologías prácticas como el método cascada o el método paso a paso. O bien aplicar la metodología del Grafcet. 2) En cada método utilizado, implementar la solución aplicando un controlador lógico programable, de la marca siemens, con su software de programación y simulación STEP 7. 3) Mediante un servidor OPC enlazar el software FluidSim, con el software STEP 7 y su simulador PLCSim. Verificar en un ambiente virtual el correcto funcionamiento de la solución propuesta. 4) Mediante un servidor OPC enlazar el software FluidSim con STEP 7, su simulador PLCSim, y su software de programación Grafcet. Verificar en un ambiente virtual el correcto funcionamiento de la solución propuesta. 5) Llevar a cabo el desarrollo de una interfaz hombre máquina (HMI), para el monitoreo en un ambiente virtual del funcionamiento del proyecto electroneumático. 6) Desarrollar una metodología para integrar en un solo sistema la simulación electroneumática (FluidSim), la simulación del PLC (STEP 7 y PLCSim) y el monitoreo en una interfaz hombre-máquina. 7) Desarrollar una metodología para integrar en un solo sistema la simulación electroneumática (FluidSim), la simulación del PLC (STEP 7, PLCSim y Grafcet) y el monitoreo en una interfaz hombre-máquina. 8) Desarrollar una comparación entre las tres metodologías de solución, para cada tipo de secuencia de movimientos, para facilitar la elección de algún método de diseño, según las características de la secuencia.

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Planteamiento del problema: La electroneumática es muy utilizada dentro de la industria para el desarrollo de distintas actividades secuenciales y poco a poco se va incrementando su uso en la industria, debido a las ventajas que aporta, además si se emplean las propiedades de un controlador lógico programable se puede obtener un control más potente de los procesos electroneumáticos ya que se pueden adquirir mayores funciones por menor espacio. Para la solución de las problemáticas que se presentan en el uso de la electroneumática se deben emplear de forma correcta alguna de las metodologías prácticas para el diseño de las secuencias, según las características del proceso electroneumático. Con la aplicación de la informática dentro de la tecnología es necesario aprovechar la existencia de software especializado de simulación de procesos electroneumáticos controlados por PLC y su integración como herramientas de apoyo en un entorno interactivo que permite crear ambientes virtuales para verificar el correcto funcionamiento de las soluciones propuestas.

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Justificación: Para realizar proyectos electroneumáticos, existen diversas herramientas para implementar su solución. FluidSim es un software de simulación neumática y electroneumática mediante el uso de relevadores o PLC, siendo un simulador muy certero y fácil de utilizar. STEP 7, es un software de programación de PLC Siemens como el S7-300 o el S7-400, además cuenta con su simulador de PLC, el PLCSim, para comprobar el buen funcionamiento de la programación. STEP 7 y S7-GRAPH, es un software de programación para el uso de Grafcet como lenguaje de programación de los PLC siemens S7-300 o S7-400. Cada uno tiene su propio manual, con diversos ejemplos de aplicación, pero no existe información que los integre, y mucho menos su aplicación en electroneumática con soluciones mediante un controlador lógico programable. Es necesaria la existencia de información que permita conocer el funcionamiento de los softwares integrados y muy específicamente en soluciones de proyectos electroneumáticos.

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Introducción En el siguiente trabajo se documenta y describe, la integración del software de programación para controladores lógicos programables del fabricante Siemens de las familias S7-300 y S7-400; con el software de simulación de FESTO FluidSim; con la finalidad de crear una herramienta óptima en la solución, desarrollo y diseño de procesos electroneumáticos, controlados mediante algún PLC de la marca Siemens dentro de un ambiente virtual, para verificar su buen funcionamiento. Se define ambiente virtual, como el apoyo con herramientas multimediales que hagan más agradable el desarrollo de proyectos y el aprendizaje en un entorno interactivo de construcción de conocimiento. Previamente se tocarán temas para el conocimiento del control mediante electroneumática, la importancia que tiene la implementación y uso de los mecanismos neumáticos en la industria, así como sus ventajas y formas de control de estos mecanismos. Se conocerán dispositivos neumáticos y electroneumáticos, empleados para la automatización de procesos de manufactura industrial, por lo tanto, también se conocen dispositivos eléctricos y electrónicos, utilizados para el control o mando de actuadores neumáticos. Un tema de vital importancia dentro de este trabajo es el conocimiento del controlador lógico programable, por lo que se tocan las ventajas del uso de los PLC dentro del control electroneumático, así como las mejoras que se tienen sobre otros tipos de control de procesos electroneumáticos. Una parte importante del trabajo es el conocimiento y aplicación de las metodologías de resolución de secuencias, empleando cilindros neumáticos. Una de ellas es el conocimiento del Grafcet, por lo que, es necesario conocer de manera amplia cómo y cuando surgió, como ha ido evolucionando, como debe ser utilizado y en especial su funcionamiento como lenguaje de programación en la actualidad para algunos controladores lógicos programables, siendo el caso de los PLC S7-300 y S7-400 de la marca Siemens. El segundo capítulo incluye el conocimiento de los softwares que conformarán una herramienta de simulación en un ambiente virtual, se conocerá el FluidSim, ¿qué es? y ¿para qué? funciona, las opciones que ofrece al usuario para un mejor desempeño en el manejo de procesos electroneumáticos, también se conocerá el STEP 7, software para programar los controladores lógicos programables de Siemens, se analizan los lenguajes de programación que maneja y las ventajas que ofrece el uso de este ambiente para el diseño de programas para PLC. Ya que se conocen los softwares a utilizar, se debe conocer cómo se lleva a cabo la comunicación entre ellos para poder realizar el diseño y prueba del control de secuencias electroneumáticas mediante una óptima herramienta virtual de simulación.

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Para el tercer capítulo del trabajo se menciona paso a paso y de forma detallada el proceso a seguir para lograr la integración de los softwares especializados de programación y simulación, y mediante esta herramienta virtual simular diferentes tipos de secuencias electroneumáticas, con las metodologías de diseño Cascada, Paso a paso y Grafcet. Para el capítulo número cuatro, se describen y se analizan los diferentes ejercicios seleccionados para llevar a cabo su simulación mediante la integración de los programas de Festo y Siemens, poder conocer y difundir la metodología que facilitó el diseño de la secuencia requerida para lograr la comunicación a nivel virtual de los programas. Dentro de este último capítulo se realiza una comparación de las metodologías de diseño para los diferentes tipos de secuencias según sus características de funcionamiento y ¿Cómo? producen diferencias en los programas, siendo que deben ejecutar la misma secuencia electroneumática.

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CAPÍTULO 1

Marco teórico.

En este capítulo se conocerán las bases para el manejo y el control de proyectos electroneumáticos gobernados por medio de un controlador lógico programable marca siemens. Se conocerán las ventajas de la utilización de la electroneumática, las bases, los dispositivos actuadores y de mando utilizados dentro de los procesos de fabricación donde se emplea la electroneumática.

1.1

Procesos de manufactura electroneumática.

automatizados

con

En la industria se cuentan con varios tipos de actuadores para los procesos de fabricación, estos actuadores se dividen en hidráulicos, neumáticos y eléctricos, estos actuadores tienen como finalidad transformar alguna clase de energía o señal en una acción mecánica, la cual se ocupara para realizar algún trabajo del proceso industrial. Los sistemas de fabricación automatizados contemplan el desarrollo del proceso con la menor intervención del hombre, esto es, que las máquinas o automatismos ejecutan la mayoría de las acciones del proceso, pero debido a los diferentes tipos de procesos no siempre se tiene que cualquier tipo de actuador puede ejercer dicho proceso. Los actuadores neumáticos son muy comunes dentro de los procesos de manufactura automatizados, en especial el uso de actuadores lineales o cilindros neumáticos, estos tipos de actuadores tienen gran aplicación en los procesos de fabricación debido a su control, y a las fuerzas con las que pueden realizar sus movimientos. Como por ejemplo en la figura 1.1-1, se tiene un manipulador neumático que se encarga del desplazamiento y acomodo de piezas pequeñas, como pueden ser pernos, tornillos, etc., utilizando tres cilindros para ejecutar movimiento en los tres ejes X, Y y Z.

Figura 1.1-1. Manipulador neumático.

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Estos tipos de actuadores tienen diferentes tipos de control, pueden ser controlados de forma neumática o mediante la conversión de energía eléctrica a control neumático, a través de electroválvulas de control. A este último tipo de control, aplicado a procesos automáticos, se le llama control electroneumático. El control de procesos automatizados mediante electroneumática, ofrece una gran ventaja por sobre el control puramente neumático, y esta es las distancias que pueden ser manejadas, ya que, el gobierno de los cilindros mediante aire, requiere de distancias no muy grandes entre el control y el elemento final, ya que si la distancia de la fuente de alimentación de aire es muy grande, se presentará una pérdida de presión del aire para el control de los actuadores, provocando un bajo desempeño de los actuadores, mientras que el control electroneumático ofrece la ventaja de poder tener el control a largas distancias de hasta 1km entre los dispositivos de mando y los actuadores. El control eléctrico por su parte, presenta el inconveniente que para procesos de fabricación donde se trabaje dentro de un ambiente explosivo, puede ocasionar una explosión debido a una chispa provocada por algún corto circuito o el mal funcionamiento de alguno de sus dispositivos de control, para estos caso es recomendable el uso de un control neumático, siendo aire el elemento de la señal, no causa explosión en caso de fugas. Pero si contamos con la parte de ejecución dentro del ambiente explosivo y la parte de control eléctrica a una larga distancia, por ejemplo, en el cuarto de control, donde las condiciones de seguridad son diferentes a las del proceso, se tendría un control óptimo y seguro del proceso de manufactura automatizado. La automatización de procesos de fabricación empleando el control electroneumático, tiene muchas aplicaciones dentro de la industria, algunos casos podrían ser: 1. El control de apertura y cierre de compuertas, para el control del paso de fluidos o de solidos como, tierra, piedras, cemento en polvo y otros. 2. El control de brazos mecánicos. 3. El desplazamiento de objetos. 4. El control de máquinas para realizar barrenos, soldadura, pintura o acomodos, entre otras aplicaciones. Como se puede observar la automatización mediante electroneumática puede ser aplicable a diferentes industrias, ya que los cilindros pueden ser acoplados para desempeñar diferentes funciones, y controlados por señales eléctricas que serán transformadas a flujo de aire. En la figura 1.1-2 se tiene un ejemplo de un dispositivo de estampado de ranuras, en el interior de unas piezas rectangulares, después de que han sido barrenadas en diferentes posiciones por otro automatismo, las piezas se colocan manualmente en la base del dispositivo y mediante el accionamiento de un botón de marcha ejecutará el posicionamiento de la pieza con el cilindro A, y los cilindro B, C y D ejecutarán la pieza para posteriormente retrocederá y poder soltar la pieza para poder colocar otra.

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Figura 1.1-2. Dispositivo de estampado.

1.2

Dispositivos para automatización electroneumática.

La electroneumática consta de dos señales, la eléctrica y la de aire o neumática, esto para aprovechar las ventajas que ambas tienen. La neumática comprende el uso de aire o gas para realizar movimientos mecánicos, a través de un flujo generado por un compresor (figura 1.2-1), este compresor se encarga de alimentar o generar un flujo de aire a los actuadores neumáticos, con una determinada presión.

Figura 1.2-1. Compresor Ya que se tiene una alimentación de aire comprimido, esta es enviada a los dispositivos de mando, como lo son las válvulas, estos dispositivos tienen la finalidad de bloquear, regular o distribuir el flujo de aire comprimido. Las válvulas pueden ser accionadas de forma mecánica, neumática, hidráulica o eléctrica, en la figura 1.2-2 se observa una válvula de acción mecánica con rodillo y retorno por muelle, sirve para la distribución de aire a un cilindro, para desempeñar alguna acción sobre los actuadores neumáticos.

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Figura 1.2-2. Válvula 3/2 acción mecánica y retorno por muelle. Después de las válvulas, el aire comprimido puede pasar a válvulas reguladoras, esto con la finalidad de poder regular el flujo de aire comprimido que entra a los cilindros, esto se verá reflejado en la velocidad de ejecución del movimiento del actuador. Figura 1.2-3 ejemplo de una válvula reguladora de flujo controlada manualmente.

Figura 1.2-3. Válvula reguladora. En la figura 1.2-4 se observa un circuito neumático para el control de un cilindro de doble efecto, desde el compresor de aire, hasta el elemento final de control que será el cilindro de doble efecto, pasando por la válvula distribuidora.

Figura 1.2-4. Circuito de control neumático de un cilindro. Una parte importante en el control de procesos electroneumáticos, son los dispositivos para enviar señales de activación o desactivación de los actuadores electroneumáticos, estos dispositivos serán la comunicación entre el operador y el proceso de manufactura.

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1.2.1 Dispositivos electroneumáticos. 1)

Electroválvulas.

Son dispositivos que sirven como interfaz para tener gobierno de un dispositivo neumático, partiendo de una señal eléctrica. Las electroválvulas reciben excitación eléctrica proveniente de los dispositivos de control, pueden ser relevadores o algún autómata programable, que mediante la conexión de bobinas genera un campo magnético, que produce el desplazamiento de la electroválvula a una posición donde se encargan de distribuir el aire a la salida deseada. Las válvulas mandan o regulan la puesta en marcha, paro, inversión de sentido, presión o caudal del fluido transportado por la bomba. Las válvulas de vías, de varios orificios, son los componentes que determinan el camino que debe tomar el fluido bajo presión, la figura 1.2.1-1 es un ejemplo de estas electroválvulas, en sus extremos se observa el pilotaje interno para el gobierno mediante una señal eléctrica del PLC.

Figura 1.2.1-1. Electroválvula biestable 3/2 vías. Para representar los distribuidores se utilizan símbolos que indican la función de la válvula. Las válvulas son representadas por cuadros. La cantidad de cuadros colocados verticalmente indica la cantidad de posiciones del distribuidor. El funcionamiento está representado en el interior del cuadro. Las líneas esquematizan las canalizaciones internas. La flecha indica el sentido de circulación del fluido. Las posiciones de cierre se representan por líneas transversales. Según el tipo de válvula corresponderá su símbolo figura 1.2.1-2.

Figura 1.2.1-2. Símbolos de diferentes electroválvulas. Las conexiones se representan por trazos que están unidos al cuadro que esquematiza la posición de reposo del distribuidor o de salida. La otra posición se realiza por

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desplazamiento lateral de los cuadros, coincidente con las conexiones. Por posición de reposo, se entiende, en el caso de válvulas con retorno por muelle, la posición que ocupa la válvula cuando no está accionada. La designación de un distribuidor está en función de la cantidad de orificios activos y de las posiciones de trabajo. La primera cifra indica la cantidad de vías, es decir, la cantidad de orificios activos. La segunda cifra indica la cantidad de posiciones que toma la válvula. Las válvulas biestables cuentan con dos bobinas, para colocar la válvula en cada una de las posiciones que tiene, en la figura 1.2.1-3 se tiene un diagrama de la forma de operación de una biestable, mientras que las válvulas monoestables, únicamente cuentan con una sola bobina, mientras que el estado de reposo se consigue mediante un resorte o muelle.

Figura 1.2.1-3. Electroválvula biestable 5/2. Para el control de una electroválvula mediante un autómata programable ocurre lo siguiente, al activar una salida del autómata, se activa una bobina, de forma que ésta se posiciona para que permita la circulación de aire hacia el actuador neumático, realizando el movimiento pertinente. 2)

Cilindros neumáticos.

Es un dispositivo neumático que permite, a partir de una presión de aire, obtener un movimiento lineal alternativo limitado, en el cual la potencia es proporcional a la presión de aire ejercida. Se tienen tres tipos de cilindros: 1. De simple efecto: Está constituido por un tubo en el cual puede deslizarse un pistón estanco unido a un vástago que sale por uno de sus extremos. La presión de aire ejerce su efecto únicamente sobre una de las caras del pistón. Éste es devuelto a su posición original, al desaparecer la señal en la bobina, por un muelle. Un orifico en uno de sus extremos (opuesto al muelle), permite la alimentación de aire al cilindro. En la figura 1.2.1-4 se muestran los símbolos de 2 cilindros de simple efecto, un de vástago retraído y el otro de vástago expulsado.

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Figura 1.2.1-4. Símbolos de cilindros de simple efecto. 2. De doble efecto: En este tipo de cilindros no existe muelle y el movimiento se produce en los dos sentidos por la acción del aire a presión sobre una u otra cara del pistón según la bobina que tenga señal. Para ello existen dos entradas diferentes de aire comprimido en cada uno de los extremos del tubo que forma el cilindro figura 1.2.1-5. Estos tipos de cilindros también cuentan con su simbología, la cual se muestra en la figura 1.2.1-6.

Figura 1.2.1-5. Cilindro de doble efecto.

Figura 1.2.1-6. Símbolo de un cilindro de doble efecto. 3. Especiales: Cilindros con amortiguamiento de caucho, cilindros con tres posiciones fijas, cilindros con cremallera entre otros tipos. En la figura 1.2.1-7 se pueden observar algunos de los símbolos para cilindros especiales.

Figura 1.2.1-7. Cilindros especiales. Los cilindros y las electroválvulas deben estar bien coordinados. Deben ser considerados

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como uno solo y no como dos dispositivos distintos, esto es, si se va a gobernar un cilindro de doble efecto la electroválvula debe ser biestable, mientras que para el caso de cilindros de simple efecto se deben emplear electroválvulas monoestables. Figura 1.2.1-8. [12].

Figura 1.2.1-8. Cilindro de doble efecto gobernado por una electroválvula biestable 5/2 vías. 1.2.2 Controlador Lógico Programable (PLC). El controlador lógico programable representa una gran herramienta para el control de procesos, aunque para utilizarlos se debe tener un conocimiento previo de las características, del software con el que se programa, de su forma de conexión y de la cantidad de entradas y salidas con las que cuenta, los PLC son un gran avance en el control de procesos electro-neumáticos. El control por PLC tiene grandes ventajas una de ellas es la simplificación, tanto de espacio como para la ejecución del proceso, el espacio reducido es muy grande, en especial si consideramos un proceso muy extenso y complicado, donde se requieren de muchos relevadores, en el caso de control electro-neumático, o muchas válvulas y tuberías, para el caso de control neumático, el PLC lo puede simplificar a una sola gaveta. Otra ventaja que ofrece el PLC por sobre otros métodos de control es la distancia, puede estar ubicado a una larga distancia de los actuadores y no existirán alteraciones en la velocidad de respuesta. De hecho el PLC puede estar monitoreado a través de una PC que también puede estar apartada del, y contaremos con los datos en tiempo real. El PLC da la pauta para que el operador pueda estar cambiando la configuración, cuantas veces sea necesaria, o de aumentar o decrementar acciones con una mínima inversión (Hasta donde el PLC lo permita), sin necesidad de tener detenido el proceso por mucho tiempo. Además de que la mayoría de los softwares de programación de PLC cuentan con simuladores, de esta forma podemos hacer algunas pruebas para asegurarnos del funcionamiento o cambiar errores sin tener que gastar los dispositivos. El PLC cuenta con la gran ventaja de tener diferentes tipos de puertos de comunicación, ya sea por la pantalla, a través de una PC por puerto RS-232 o USB o por internet, según sea el

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tipo de PLC, esto ofrece al usuario una herramienta extra para el control del mantenimiento de las máquinas, tiempos de trabajo o tiempos muertos, monitoreando cada parte del proceso, e incluso algunos ofrecen enviar información a alguna base de datos. La ventaja de reducir el espacio con el PLC se debe a sus dimensiones tan pequeñas como se puede ver en la figura 1.2.2-1, además que los temporizadores y los relevadores de control, ya no son físicos, al contrario están dentro del controlador lógico programable, y no altera el funcionamiento, si no lo optimizan, ya que se encuentran en el sistema del PLC y no expuestos al medio ambiente, a los riesgos de golpes, o desgaste físico. Por lo tanto, no sufren daño y alteran su funcionamiento.

Figura 1.2.2-1. Controladores lógicos programables de Siemens, Rockwell y Omron. Los controladores lógicos programables no solo cuentan con ventajas para mejorar la eficacia de los procesos, también cuentan con ventajas de energía, por que consumen menos energía eléctrica que sistemas donde existan muchos relevadores. Y para el caso de electro-válvulas, el PLC puede ser conectado directamente, ya que pueden manejar corriente alterna y corriente directa, dependiendo del tipo de PLC y también dependerán los rangos de operación que por lo regular es de 24Vdc. Los PLC como se ha comentado, tienen muchísimas ventajas sobre los anteriores tipos de control, pero en realidad tienen pocas desventajas. Una seria que aún puede producir chispas, por sus conexiones, por lo tanto no es muy recomendable emplearlo en ambientes explosivos, claro puede ser colocado a una gran distancia evitando estar dentro del ambiente explosivo. Otra desventaja seria que se necesita aprender a programarlo, o en su defecto contratar a alguien para que lo programe según las necesidades del usuario, y eso resultaría en un costo extra, que más bien podría llamarse inversión. La desventaja más grande que tiene un PLC podría ser su aun elevado costo, en especial si se requiere de uno con una gran variedad de funciones o de funciones muy avanzadas, además de necesitar el software para su programación, y eso implica estar comprando las actualizaciones y las licencias. [12]. SIMATIC S7-300. Este controlador lógico programable de la marca siemens, se encuentra en la gama de mini autómatas modulares, con un amplio abanico de módulos para una adaptación optima en las tareas de automatización, cuenta con aplicaciones flexibles gracias a su posibilidad para

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realizar estructuras descentralizadas e interconexiones por red, la gran cantidad de funciones con las que cuenta hacen de este PLC un controlador muy potente, además puede ser ampliado sin problemas para el caso de mejorar el proyecto o de conectar otras tareas, además puede ser implementado de manera fácil, por su forma de instalación tan simple, su facilidad de uso y por ser un equipo que no requiere ventilación. Una característica importante de este PLC es su pequeño tamaño, siendo las medidas de su CPU 80cm de largo, 12.5cm de alto y 13cm de profundidad, en cuanto a las dimensiones de sus módulos tiene 40cm de largo, 12.5 de alto y 13cm de profundidad, como puede visualizarse en la figura 1.2.2-2, donde se señala cada parte del controlador. Además el S7300 requiere una alimentación de 24Vdc, por esta razón, los módulos de alimentación de carga transforman la tensión de alimentación de 115/230Vac a una tensión de 24Vdc.

Figura 1.2.2-2. Estructura física del PLC S7-300 de Siemens. El sistema modular comprende de cinco CPU, para las diferentes tareas, módulos de entradas y salidas digitales y analógicas, módulos de contaje rápido, posicionamiento de lazo abierto y lazo cerrado, así como, módulos de comunicaciones para redes de bus. La CPU más potente puede ejecutar 1024 instrucciones binarias en menos de 0.3mseg. El controlador lógico programable S7-300 puede trabajar a temperaturas de hasta 60°C en una instalación vertical, y de hasta 40°C para una instalación horizontal, soporta humedad relativa de entre 5 a 95% y es capaz de trabajar con presiones atmosféricas de entre 795 a 1080hPA. [2]. 1.2.3 Dispositivos de mando y señal. Una parte fundamental para la automatización, es el control de las maquinas o actuadores, para esto se requiere que el controlador conozca algunas variables de estos actuadores, como lo son posición, presión, nivel, peso, entre otras. Para el suministro de esta información se es necesario el uso de dispositivos de mando o sensores para que indiquen

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al controlador la información necesaria. Por cuestión de seguridad no solo el PLC debe ser informado, existen procesos donde se es necesario que también el operador conozca dicha información, de esta manera el operador puede tomar decisiones que le correspondan, para ello se emplean dispositivos indicadores. o

Relevadores y Contactores.

Son dispositivos electromagnéticos que conectan o desconectan un circuito eléctrico de potencia al excitar un electroimán o bobina de mando. Los relevadores están previstos para accionar potencias menores a 1kW, mientras que los contactores pueden accionar grandes potencias. Los relevadores y contactores se suelen emplear como etapa previa para el accionamiento de dispositivos con mayor potencia eléctrica, como, electroválvulas, motores y otros. Por lo regular se encargan de la separación de la parte de control, que trabaja con tensiones y corrientes mucho menores, que la parte de potencia. Muchas salidas de PLC emplean relevadores, para tener aislado eléctricamente el dispositivo o autómata de la acción de potencia. [11] o

Botones pulsadores.

Son dispositivos eléctricos y electrónicos, encargados de la conducción o la interrupción de corriente eléctrica, por medio, de la acción mecánica, al ser pulsados, internamente produce que los platinos se junten en caso de ser un pulsador normalmente abierto (NA) y por lo tanto permitan el paso de la corriente eléctrica, o que los platinos se separen para el caso de los normalmente cerrados (NC) y produciendo un corte en la corriente eléctrica. Existe una gran diversidad de formas para botones, incluso en colores o luminosos, como se observa en la figura 1.2.3-1 la estación de botones cuenta con un botón verde y otro rojo, o en el lado derecho se tiene un botón rojo de paro de emergencia.

Figura 1.2.3-1. Estación de botones. También existen "botones virtuales", cuyo funcionamiento debe ser igual al de los "físicos"; su uso queda restringido para pantallas táctiles o gobernadas por otros dispositivos electrónicos. Figura 1.2.3-2.

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Figura 1.2.3-2. Botón pulsador virtual en una HMI. o

Detectores final de carrera.

Son captadores de conmutación electro-mecánica, la detección del objeto por medio del cabezal hace conmutar los contactos eléctricos del dispositivo. Para que la señal del captador llegue al PLC se debe cablear una terminal del captador a la fuente de alimentación y la otra terminal al módulo de entradas digitales del PLC. Estos dispositivos tienen como gran ventaja su bajo costo. Pero como desventaja presentan la necesidad de entrar en contacto con el objeto, además de tener una baja respuesta. Al ser necesario el contacto físico con el objeto estará garantizado para un número máximo de maniobras, siempre que no sean sometidos a mayor esfuerzo del que pueden soportar según el catalogo. En la figura 1.2.3-3 se puede observar una gran variedad de detectores de carrera, donde su elemento de contacto puede variar para el tipo de cilindro a detectar. [11].

Figura 1.2.3-3. Diferentes tipos de final de carrera. o

Detectores de proximidad inductivos.

Estos tipos de detectores son empleados para la detección de piezas metálicas en distancias que oscilan entre los cero a los treinta milímetros.

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Su principio de funcionamiento consiste en influenciar desde el exterior un oscilador HF completado con un circuito resonante LC. Un núcleo de ferrita con un bobinado oscilante genera por encima de la cara sensible un campo magnético variable. Al introducirse una pieza metálica en el campo magnético se producen corrientes de Faucoult que influencian el oscilador y provocan una debilitación del circuito oscilante. Un circuito detecta esta variación de amplitud y determina una conmutación de la señal dada por el sensor ver figura 1.2.3-4. [11]. Estos detectores cuentan con las siguientes ventajas: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Conmutación sin realizar esfuerzo mecánico. No existe desgaste. Insensibilidad a influencias externas. Larga vida útil. Gran precisión en el punto de conmutación. Frecuencia de conmutación elevada.

Figura 1.2.3-4. Detector de proximidad Inductivo. o

Detectores de proximidad capacitivos.

Estos detectores permiten la detección sin contacto de materiales conductores y no conductores, es decir, materiales metálicos y no metálicos, sólidos o fluidos.

Figura 1.2.3-5. Detector de proximidad Capacitivo. La cara activa de los detectores capacitivos está formada por dos electrodos metálicos

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colocados concéntricamente. Las caras de este condensador forman un acoplamiento reactivo con un oscilador de alta frecuencia, regulado de tal forma que no provoca interferencias en el caso de la cara activa libre. Si un objeto se aproxima a la cara activa se introduce en el campo eléctrico de los electrodos y por lo tanto el oscilador comienza a variar. Un amplificador analiza la variación y la transforma en una conmutación. Los detectores capacitivos son influenciados tanto por objetos conductores como no conductores. Los metales, dada su alta conductividad, se detectan a grandes distancias. La sensibilidad de estos detectores está muy relacionada con el tipo de material que se va a detectar, así como por el grado de humedad ambiental y el contenido en agua del cuerpo. Figura 1.2.3-5. Cuando el objeto a detectar sea un aislante, su distancia de detección será mayor, cuanto mayor sea la constante dieléctrica, dado que aumenta el acoplamiento capacitivo. Para reducir este problema estos detectores llevan un ajuste de sensibilidad según el tipo de material a detectar. La distancia de trabajo del detector dependerá del valor de la constante dieléctrica del material ( r). Cuanto mayor sea r, más fácil será detectado el material. Por lo tanto la distancia de trabajo dependerá de la naturaleza del material. En la tabla 1-1 se pueden observar diferentes tipos de constantes dieléctricas ( r) y factores de corrección (Fc) para diferentes materiales. [11]. Distancia de trabajo = Distancia nominal del detector * Factor de corrección (Fc). Material Fc Material Fc r r 1 0 6-7 0,5-0,6 Aire Mica 24 0,85 4-5 0,3-0,4 Alcohol Nylon 20 0,8 2-4 0,2-0,3 Acetona Papel 15-25 0,75-0,85 2-2,5 0,2 Amoniaco Parafina 2-7 0,2-0,6 3,2 0,3 Madera seca Plexiglás Madera húmeda 10-30 0,7-0,9 Resina poliéster 2,8-8 0,2-0,6 2,5-3 0,3 3 0,3 Caucho Poliestireno 4 0,35 3-5 0,3-0,4 Cemento Arena 80 1 6 0,5 Agua Sal 2,2 0,2 3 0,3 Gasolina Azúcar 2,5-3 0,2-0,3 2 0,2 Harina Teflón 2,2 0,2 3-10 0,3-0,7 Aceite Vidrio Tabla 1-1. Constante dieléctrica y Factor de corrección para detectores capacitivos. o

Detector magnético.

Es aplicado fundamentalmente en la detección de la posición de cilindros neumáticos. El imán permanente fijado en el pistón del cilindro satura con su campo magnético el núcleo

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de la bobina del detector. De esta forma se varía la corriente que circula por un circuito oscilante. Esta variación detectada en transformada en una conmutación mediante el circuito del sensor, en la figura 1.2.3-6 se pueden distinguir diferentes tipos de sensores magnéticos. [11].

Figura 1.2.3-6. Detectores magnéticos. o

Detectores ópticos.

Este tipo de detectores utilizan fotocélulas como elementos de detección. Algunos tipos disponen de un cabezal que incorpora un emisor de luz y la fotocélula de detección, actuando por reflexión y detección del haz luminoso reflejado sobre el objeto a detectar. Otros tipos trabajan a modo de barrera y están previstos para la detección a mayores distancias con fuentes luminosas independientes del cabezal detector. Ambos tipos suelen trabajar con frecuencias luminosas en la gama IR infrarrojos. Figura 1.2.3-7.

Figura 1.2.3-7. Detectores ópticos de reflexión y de barrera. Estos dispositivos cuentan con una elevada inmunidad a las perturbaciones electromagnéticas externas, por lo que los convierte ideales para el trabajo en conjunto con bobinas. Además cuentan con una elevada velocidad de respuesta. Son capaces de identificar colores.

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Los detectores ópticos cuentan con distancias de detección grandes, respecto a los detectores inductivos y capacitivos. Se tienen fácilmente hasta 500 m en modo barrera y hasta 5 m por reflexión. Para ambientes muy luminosos pueden emplearse barreras ópticas basadas en detección por luz polarizada. El emisor emite luz polarizada contra una placa reflectora que hace girar el plano de polarización 90º y la devuelve hacia el detector previsto para recibirla en el plano vertical. Otra variación de estos detectores ópticos son los de fibra óptica, que tienen los puntos de emisión y recepción de luz separados de la unidad generadora, y unidos a ella mediante la fibra. De esta forma, la detección puede llevarse a puntos inaccesibles para las fotocélulas de barrera o reflexión, aprovechando la flexibilidad de la fibra. Estos detectores, tienen distancias de 3mm hasta 10m, pudiendo detectar objetos muy pequeños. [11]. o

Detectores ultrasónicos.

Estos detectores están basados en la emisión y recepción de ondas de tipo ultrasónicas. Cuando un cuerpo interrumpe el has, el nivel de recepción varía y el receptor lo detecta. En la cara activa del detector un disco cerámico piezoeléctrico se encarga de transmitir ondas de sonido a alta frecuencia. Durante un tiempo al disco se le aplica una tensión eléctrica de alta frecuencia, por lo cual, causa una vibración a la misma frecuencia emitiendo ondas de sonido de alta frecuencia. A continuación, el sensor no emite durante un lapso de tiempo en espera de los pulsos reflejados. Las ondas reflejadas llagan al sensor. Si el tiempo que ha pasado entre la emisión del pulso y la recepción del eco se encuentra dentro del rango permisible en el que se ha ajustado el detector, este conmutara indicando la presencia de algún cuerpo. Figura 1.2.3-8. Como ventaja frente a las fotocélulas, estos detectores pueden percibir con facilidad objetos transparentes, como lo es el cristal y algunos plásticos, materiales que ofrecen dificultad para su detección óptica.

Figura 1.2.3-8. Detector ultrasónico señal fuera de rango y señal dentro del rango ajustado. Sin embargo, ya que estos detectores emplean ondas ultrasónicas que se mueven por el aire, no podrán ser utilizados en lugares donde este circule con violencia o gran velocidad, o en medios con elevada contaminación acústica. De la misma manera que otros detectores, los ultrasónicos también son fabricados en diferentes tipos y con diferentes características, como se ven en la figura 1.2.3-9. [11].

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Figura 1.2.3-9. Diferentes tipos de detectores ultrasónicos.

1.3

Métodos para electroneumáticas.

el

diseño

de

secuencias

En este apartado se conocerán los métodos de diseño para secuencias electroneumáticas (Cascada, Paso a paso y Grafcet), empleando un controlador lógico programable S7-300 de siemens, aplicando los métodos de diseño al programa para PLC. 1.3.1 Método cascada. Para el uso del método en cascada, es necesario primero conocer cada uno de los movimientos de la secuencia electroneumática. En la figura 1.3.1-1 se tiene una secuencia de dos cilindros. /A+/B+/B-/A-/ Figura 1.3.1-1. Ecuación de movimientos. Posteriormente se debe dividir la secuencia en grupos, para esto se debe tener en cuenta que dentro de cada grupo no deben existir dos o más movimientos de un solo cilindro, es decir, el grupo puede contener N movimientos de N cilindros, pero no puede tener un movimiento de avance y un de regreso del mismo cilindro, en la figura 1.3.1-2 se observa la ecuación de movimientos (figura 1.3.1-1), dividida en dos grupos.

Figura 1.3.1-2. Grupos de la secuencia. Ya que se tienen los grupos de la secuencia electroneumática, es necesario del diseño del circuito electroneumático, como se observa en la figura 1.3.1-3 se tiene el circuito de fuerza

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y el circuito de control por PLC.

Figura 1.3.1-3. Circuito de fuerza para 2 cilindros y circuito de control por módulos de PLC. Teniendo el circuito de control conectado a los módulos de entradas y salidas del controlador lógico programable, se procede a realizar la tabla de entradas y salidas del proceso, como se muestra en la tabla 1-2.

Tabla 1-2. Entradas y salidas del proyecto. Ya que se cuenta con la relación de entradas y salidas del proyecto, se procede a realizar el programa, para esto se debe tomar en cuenta que cada grupo de movimientos será una bobina de marca de memoria figura 1.3.1-4, como se observa en la tabla 2, el grupo 1 se direcciona a m0.0, y el grupo 2 a m0.1. Cada grupo controlará la activación de los movimientos correspondientes.

Figura 1.3.1-4. Línea 1 del programa, activación del grupo 1 de movimientos de la secuencia.

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Debe notarse que se tiene un contacto normalmente cerrado de la bobina grupo2, en serie con la bobina del grupo1, esto es, con la finalidad de desactivar al grupo1 al instante en que el grupo2 entre en funcionamiento. Una vez que el grupo1 está activado, mediante sus contactos normalmente abiertos, asegurará que únicamente los movimientos del grupo1 sean activados cuando se cumplan las condiciones. Como se observa en la figura 1.3.1-5, el control de los movimientos del grupo1.

Figura 1.3.1-5. Líneas 2 y 3 del programa para activar las salidas de los cilindros A y B. Siguiendo la regla principal del método en cascada, se prosigue a diseñar todo el programa como se observa en la figura 1.3.1-6, el programa completo en lenguaje KOP, diseñado con el método cascada.

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Figura 1.3.1-6. Programa en PLC diseñado con el método cascada. Para finalizar el ciclo del programa es necesario que el contacto cerrado del último grupo sea el último detector final de carrera que sea activado para desactivar al último grupo, como se puede observar en la figura 1.3.1-6 en la línea 4 correspondiente al grupo2, el contacto cerrado será la entrada del detector final de carrera A0. Ya que se ha finalizado el programa se debe verificar su buen funcionamiento, esto se puede realizar con la ayuda del diagrama de estado que generen los movimientos de los cilindros, en la figura 1.3.1-7 se puede observar el diagrama de estado obtenido por el ejemplo.

Figura 1.3.1-7. Diagrama de estado. 1.3.2 Método paso a paso. Para el diseño de secuencias electroneumáticas con el método paso a paso, deben seguirse las siguientes etapas. Primero se debe tener la ecuación de movimientos de la secuencia a desarrollar como ejemplo se tiene la figura 1.3.2-1. /A+/B+/B-/A-/ Figura 1.3.2-1. Ecuación de movimientos. Posteriormente cada movimiento se tomará como un paso de la secuencia de control véase la figura 1.3.2-2.

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Figura 1.3.2-2. División de la secuencia en pasos. Ahora se prosigue con el diseño del circuito de fuerza y control por mando de PLC de los cilindros a ejecutar la secuencia. Se puede ver en la figura 1.3.2-3 los cilindros A y B, sus electroválvulas y los módulos de entradas y salidas del PLC.

Figura 1.3.2-3. Circuito de fuerza para 2 cilindros y circuito de control por módulos de PLC. Ya que se cuenta con el diseño del circuito de fuerza neumático y el circuito de control mediante PLC, se procede a realizar la tabla de entradas y salidas del proyecto, esto con la finalidad de tener un control de la cantidad de entradas y salidas a usar, el tipo y las direcciones y símbolos del programa a utilizar.

Tabla 1-3. Entradas y salidas del proyecto. Como se puede observar en la tabla 1-3, para este método no se emplearán marcas de memoria para el control de los pasos, se utilizan las bobinas de las salidas digitales del PLC como las bobinas para el control de los pasos, siempre y cuando el uso de la salida no se repita.

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Una vez que las entradas y salidas están definidas, se procede al diseño del programa de PLC, para esto se debe tomar en cuenta que al activarse el nuevo paso, este desconecta al paso anterior y así sucesivamente al que le sigue, esto se ejemplifica con la figura 1.3.2-4.

Figura 1.3.2-4. Línea básica del método. Como se muestra en la figura 1.3.2-4, el contacto abierto BA, activará el paso, en este caso la salida del cilindro A, mientras que el contacto cerrado B+ provocará que al entrar en funcionamiento el siguiente paso, el paso actual quedará desactivado. Se debe tomar en cuenta que para algunos pasos se deben cumplir algunas condiciones, por ejemplo que algún cilindro este expulsado o que concluya su movimiento de retracción, por lo que será necesario utilizar dos contactos abiertos para la activación del paso. En la figura 1.3.2-5 se observa el programa completo de la secuencia de ejemplo.

Figura 1.3.2-5. Programa del PLC con el método paso a paso.

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Para finalizar el ciclo de la secuencia es necesario de utilizar en el último paso un contacto cerrado del detector final de carrera A0, como se puede ver en la figura 1.3.2-5 en el paso 4, esto debido a que, el último movimiento es la retracción del cilindro A y cuando llega al final, activa al detector final de carrera A0 y produce que se abra el circuito, desactivando el paso 4 y por lo tanto la secuencia. De la misma forma que el método cascada, se puede hacer uso del diagrama de estado como el de la figura 1.3.2-6, para verificar el buen funcionamiento del proyecto.

Figura 1.3.2-6. Diagrama de estado de la secuencia. 1.3.3 Método de Grafcet. La complejidad en el diseño de procesos y la disponibilidad de controladores más potentes, eficientes y con un mayor número de funciones, obligan a replantearse los métodos de diseño en los sistemas de control electroneumático. Normalmente los automatismos controlados a base de relevadores han sido diseñados con métodos intuitivos a base de prueba y error, estos métodos se han sido empleados en los controladores lógicos programables, debido a que la mayoría pueden ser programados a base de diagramas o lenguajes de contactos. En 1975, uno de los grupos de trabajo de la AFCET (Asociation Francaise pour la Cibernétique Economique et Technique), decidió crear la normalización de la representación de la especificación de los controladores lógicos. En Agosto de 1977 una comisión formada por 12 académicos e investigadores y 12 representantes de algunas compañías firmó el informe final. Es entonces cuando nació el Grafcet, gráfico de mando etapa-transición, en principio se pretendía satisfacer la necesidad de disponer de un método de descripción de procesos, con total independencia de la tecnología, mediante una serie de gráficos de fácil interpretación no solo por especialistas en automatización. El Grafcet es un formalismo inspirado en las redes de Petri, merced a una interpretación

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singular, donde se manejan eventos, condiciones y acciones en forma análoga a los clásicos diagramas de estado, siendo la variable local de estado intrínsecamente binaria. El Grafcet está definido por unos elementos gráficos y unas reglas de evolución, las cuales reflejan la dinámica del comportamiento del sistema. Todas las secuencias pueden ser estructuradas en una serie de etapas, dichas etapas representan estados o subestados del sistema en los cuales se realizan una o varias acciones, igual que transiciones, que son las condicionantes para que se dé un cambio de una etapa a otra. En pocas palabras se podría decir, que el Grafcet es una representación gráfica del automatismo compuesto por etapas y transiciones. [11], [12]. Etapas: Una etapa corresponde a una acción del proyecto indicando un comportamiento estable. Se conviene en representar una etapa por un cuadro en el que se indica el número de la etapa como lo muestra la figura 1.3.3-1.

Figura 1.3.3-1. Símbolo de la etapa 1. Las etapas de inicio son representadas por dobles cuadros, es decir, un cuadro estará dentro de otro cuadro más grande como se muestra en la figura 1.3.3-2. Estas etapas son las únicas que serán activadas al iniciarse la secuencia en Grafcet.

Figura 1.3.3-2. Símbolo de una etapa inicial. Para indicar que una etapa está en ejecución o está activa, debe estar con algún relleno de color, es decir, una etapa fuera de funcionamiento estará de color blanco como en las figuras 1.3.3-1 y 1.3.3-2, mientras que una etapa en ejecución estará colorada o en su defecto será en negro, como en la figura 1.3.3-3. [11].

Figura 1.3.3-3. Etapa en ejecución.

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Acciones: En las etapas se desarrollan una serie de acciones sobre el sistema. Estas acciones se representan mediante un rectángulo situado en la parte derecha del símbolo de la etapa, como se muestra en la figura 1.3.3-4. Estas acciones pueden ser de tipo impulso como seria activar un temporizador o incrementar en uno un contador, o pueden ser continuas como seria activar un motor o activar un solenoide de una electroválvula, mientras la etapa correspondiente se mantenga activa.

Figura 1.3.3-4. Etapa con acción asociada. Pueden existir etapas a las que no se les asocia una acción, esto puede ser correspondiente a estados de reposo, ya sea de una máquina o en una etapa temporizada, para una toma de decisión o para esperar un acontecimiento. [11]. Transiciones: Las transiciones son elementos que permiten la evolución de la secuencia de Grafcet. Una transición entre dos etapas se representa mediante una línea perpendicular a las uniones orientadas, en la figura 1.3.3-5 se observa el símbolo de la transición. Para facilitar la comprensión del Grafcet, cada transición puede o no ir numerada a la izquierda del símbolo.

Figura 1.3.3-5. Símbolo de la transición. Para que una transición pueda ejercer el paso de una etapa a otra, debe cumplir con los siguientes requerimientos:

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1. La etapa inmediata anterior debe encontrarse activa. 2. La receptividad asociada a la transición debe ser verdadera. La receptividad asociada a una transición es una condición booleana que expresa la lógica de la que depende el avance de una etapa a otra (véase figura 1.3.3-6), es decir, las condiciones de transición deberán ser verdaderas para que la transición permita el paso de una etapa a otra. [11].

Figura 1.3.3-6. Transición con su condición. Etapas simultaneas: Cuando la transición de una etapa produce la activación de más de una etapa o acción al mismo tiempo, se dice que son etapas simultaneas. Después de la activación de las etapas simultaneas, estas son independientes una de la otra. Para las etapas simultáneas se debe cumplir una transición en común para todas las etapas a accionarse, por lo tanto debajo de la transición se deben dibujar dos líneas paralelas horizontales a lo largo de las etapas a accionar, en la figura 1.3.3-7 se tienen dos etapas simultaneas.

Figura 1.3.3-7. Símbolo para conectar etapas simultaneas. Cuando es necesario desactivar varias etapas simultáneas, es necesario utilizar la misma

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estructura, después de las etapas se dibujan otras dos líneas paralelas horizontales a lo largo de todas las etapas y después de las líneas se conecta una sola transición para pasar a otra etapa, así como se muestra en la figura 1.3.3-8. [11].

Figura 1.3.3-8. Estructura de etapas simultaneas. Etapas alternas: Las etapas alternas son secuencias donde se presenta una selección de la evolución del proceso, puede representarse con tantas etapas que representen la cantidad de selecciones, mediante la misma cantidad de transición validas como evoluciones se tengan, una para cada etapa a seleccionar, para representar una selección en Grafcet, se tiene una sola línea horizontal como en la figura 1.3.3-9, la cual conecta todas las transiciones de las diferentes evoluciones, y posteriormente las etapas, la transición que se cumpla primero será la rama que se active. [11].

Figura 1.3.3-9. Estructura de etapas alternas. Repetición: Por medio de la repetición se puede volver a ejecutar una o varias etapas o la secuencia completa al momento de que una transición se cumpla, se representa mediante una flecha

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que relacione la transición a cumplir y la etapa que se va a volver a ejecutar como se muestra en la figura 1.3.3-10. [11].

Figura 1.3.3-10. Estructura de la repetición. Ya con el conocimiento sobre la simbología y las reglas para el uso de Grafcet, se puede realizar el diseño de una secuencia electroneumática. Igual que en los otros métodos se debe tener primero la ecuación de movimientos de la secuencia a diseñar figura 1.3.3-11. /A+/B+/B-/A-/ Figura 1.3.3-11. Ecuación de movimientos. Posteriormente se procede al diseño del Grafcet, observar la figura 1.3.3-12, se debe tener en cuenta que esta secuencia no tiene ninguna rama alterna o rama simultánea, por lo que será una secuencia lineal, también se debe tomar en cuenta que la primera etapa será una etapa de reposo y no tendrá acción, pero si deberá regresar el punto inicial cada vez que finalice el ciclo.

Figura 1.3.3-12. Grafcet 1 de la secuencia.

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Después se procede a realizar la tabla de entradas y salidas del proyecto, como se puede ver en la tabla 1-4, se emplearan entradas y salidas digitales y no serán necesarias las marcas de memoria para el desarrollo del programa con Grafcet.

Tabla 1-4. Entradas y salidas del proyecto. Ya teniendo la relación de entradas y salidas se procede a traducir el Grafcet diseñado al programa de PLC utilizando la simbología del Grafcet como lenguaje de programación como puede observarse en la figura 1.3.3-13.

Figura 1.3.3-13. Programa para PLC S7-300 utilizando Grafcet. Mediante el diagrama de estado de los cilindros en la figura 1.3.3-14, se verifica el correcto funcionamiento de la secuencia con respecto a la ecuación de movimientos.

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Figura 1.3.3-14. Diagrama de estado de los cilindros.

1.4

El servidor OPC.

El servidor OPC por sus siglas en ingles OLE for Process Control, OLE para control de procesos, a su vez OLE es incrustación y enlazado de objetos, es un estándar de comunicación en el campo del control y supervisión de procesos industriales, basado en una tecnología Microsoft, ofreciendo una interfaz común para el intercambio de datos entre diferentes softwares, como se ve en la figura 1.4-1, una comunicación entre distintas aplicaciones. La comunicación OPC entre diferentes softwares se lleva a cabo mediante una metodología cliente-servidor. Este servidor es una fuente de datos, donde cualquier software con aplicación basada en OPC puede entrar al servidor y escribir o leer datos que ofrezca el servidor. Este tipo de software ofrece una solución al problema de drivers dentro de los softwares especializados siendo una solución abierta y flexible para ejercer el intercambio de datos.

Figura 1.4-1. Diagrama básico del servidor OPC. El servidor OPC ofrece algunas ventajas para los usuarios de softwares especializados en el control, supervisión y adquisición de datos. Los fabricantes de Software especializado únicamente deben crear un conjunto de

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aplicaciones, de ese modo los usuarios solo deben configurar o direccionar estos conjuntos de aplicaciones para intercambiar datos entre sus softwares. Los fabricantes no deben realizar cambios significativos en los drivers debido a cambios en el hardware. Simplificar la integración de softwares en un entorno homogéneo. o Arquitectura OPC Cliente / Servidor. La arquitectura básica del servidor OPC se representa de manera sintética con la siguiente figura 1.4-2.

Figura 1.4-2. Diagrama a bloques de la comunicación vía OPC. o Aplicaciones del servidor OPC. Como ya se ha dicho el servidor OPC sirve para el intercambio de datos entre softwares, pero puede emplearse en las siguientes aplicaciones:    

Bases de datos. Obtener datos para sistemas SCADA o DSC. Monitoreo y control de procesos (HMI). Simulación de procesos.

Para lograr la comunicación entre los softwares especializados de simulación y programación, FluidSim y STEP7 con sus programas PLCSim y S7-GRAPH, es necesario del uso de un servidor OPC específico. El servidor OPC que será utilizado para llevar a cabo una herramienta para simular procesos electroneumáticos, será el Festo Didactic EzOPC V5.3 versión en inglés. En la figura 1.4-3 se observa la pantalla principal del servidor OPC que se utiliza para realizar el enlace entre FluidSim y STEP 7.

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Figura 1.4-3. Pantalla del servidor OPC. Se puede observar en la figura 1.4-3 que se encuentra seleccionado para la comunicación entre el simulador FluidSim, y el controlador S7-PLCSim, mediante un controlador virtual o servidor. Se debe tener cuidado al momento de realizar la instalación del servidor Festo Didactic EzOPC V5.3, de que la PC no se encuentre descargando actualizaciones, ya que puede producir errores o impedir la instalación del servidor. Con el tema del servidor OPC se concluyen las bases teóricas para el diseño y simulación de secuencias electroneumáticas gobernadas mediante un controlador lógico programable S7-300 de la marca Siemens en un ambiente virtual.

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CAPÍTULO 2

El software y su programación.

Dentro de este capítulo se conocerán los softwares especializados de simulación y programación para la creación de una óptima herramienta virtual, para el diseño y verificación de secuencias electroneumáticas gobernadas por un controlador lógico programable, dentro de un ambiente virtual.

2.1

Festo FluidSim.

Es un popular software, desarrollado por la empresa alemana Festo, sirve para la simulación de sistemas neumáticos y electroneumáticos, funciona en el ambiente de Microsoft Windows. FluidSim es de fácil manejo para cualquier persona que desee obtener conocimientos básicos, enseñar y relacionarse con la neumática, este software es completamente didáctico y ofrece un fácil manejo del programa para el diseño y simulación de sistemas neumáticos y electroneumáticos, debido a esta característica el usuario no necesitara más que un tiempo breve de práctica para poder desenvolverse ágilmente en el uso del software para poder diseñar diversos sistemas. El software esta creado no solo con la finalidad del diseño y simulación, también tiene como objetivo la enseñanza, es decir, el software mediante su simbología, fotos, presentaciones y breves pero concisas explicaciones de cómo funcionan los dispositivos, ofrece los conocimientos básicos de los elementos neumáticos y eléctricos que se emplean para el control neumático y electroneumático.

Figura 2.1-1. Ventana de descripción de un cilindro de doble efecto. Como una herramienta para la enseñanza el software ofrece una sección donde se puede obtener información del dispositivo deseado, en la ventana de la figura 2.1-1 se puede ver un ejemplo, una breve definición de lo que es un cilindro de doble efecto, la características de funcionamiento del dispositivo, símbolo y vínculos a internet para obtener información

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más detallada sobre los dispositivos. Esta información se presenta en diferentes idiomas y el usuario puede seleccionarlo. También ofrece, para algunos dispositivos, mostrar una ventana donde se ven las fotos de los dispositivos físicos. En la figura 2.1-2 se observa la pantalla de FluidSim con el símbolo y la fotografía de un cilindro de doble efecto.

Figura 2.1-2. Ventana de FluidSim con la foto de un cilindro de doble efecto. El software también ofrece la ventaja de mostrar un diagrama donde se puede observar el funcionamiento del dispositivo seleccionado, en la figura 2.1-3 se observa un ejemplo de esta acción con un cilindro de doble efecto.

Figura 2.1-3. Funcionamiento de un cilindro de doble efecto. Para hacer uso de estas ventajas, es necesario de dar clic derecho sobre el símbolo del dispositivo a conocer, posteriormente seleccionar los que se desea conocer, foto, funcionamiento o descripción del dispositivo. Se debe tomar en cuenta que estas acciones no se encuentran disponibles para todos los dispositivos que trabaja el software. FluidSim ofrece la característica que de forma automática revisa el circuito, para evitar que existan dispositivos ocupando el mismo espacio, que se produzcan cortocircuitos o que se tengan declaraciones repetidas con lo cual produciría una mala actuación de la simulación neumática.

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Como se ha dicho anteriormente el software de simulación FluidSim es fácil de utilizar, a continuación se presenta la forma de trabajar en el software, para el desarrollo de procesos electroneumáticos controlados por PLC. Dentro del ambiente de FluidSim se pueden diferenciar dos ventanas principales, la primera y más importante es la ventana de trabajo del software, esta se sitúa a la derecha y se caracteriza por que al iniciar se encuentra en blanco. Del lado izquierdo se tiene la biblioteca de componentes, en esta ventana se encontraran todos los dispositivos que trabaja el software, en la figura 2.1-4 se tiene la ventana de la biblioteca de componentes.

Figura 2.1-4. Biblioteca de componentes de FluidSim. Para comenzar a diseñar el proyecto, es necesario de arrastrar de la biblioteca de componentes al área de trabajo del software, en la figura 2.1-5 se observa la colocación de un cilindro de doble efecto, dos válvulas estranguladoras y una electroválvula 5/2.

Figura 2.1-5. Comienzo de un circuito electroneumático. Como se puede ver en la figura 2.1-5 la válvula no tiene ningún tipo de control, para ello se debe dar doble clic a la válvula colocada y especificar sus características dentro de la pantalla que abrirá el software como la de la figura 2.1-6; para el ejemplo se le colocara un solenoide a cada extremo, para que sea una electroválvula biestable, y gobierno mecánico

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mediante palancas. [1].

Figura 2.1-6. Configuración de la válvula. Ahora se procede a conectar, esto se realiza mediante la selección de la primera terminal, se da clic y sin soltar el curso se lleva hacia la otra terminal, donde se debe soltar el curso, en este proceso se observa que cada que el curso se coloca sobre un posible punto de conexión cambia su forma. En la figura 2.1-7 se observa el circuito de fuerza conectado entre el cilindro, las válvulas estranguladoras y la electroválvula.

Figura 2.1-7. Conexión del circuito de fuerza. Para la configuración de las salidas de aire en la electroválvula se debe dar dos clics en las terminales de salida y se podrá configurar la conexión de estas salidas y aceptar, en la figura 2.1-8 se observa el ejemplo donde se colocaron silenciadores.

Figura 2.1-8. Configuración de conexiones de la electroválvula.

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Ahora se le configura la regla de distancia al cilindro, donde se ubicarán los detectores final de carrera, para realizar se debe dar doble clic sobre el cilindro, en la figura 2.1-9 se observa la ventana que despliega el software.

Figura 2.1-9. Configurar cilindro. Dar clic en configurar marcas de accionamiento, elegir la cantidad y las posiciones de los detectores llenando la tabla y colocando los detectores con la distancia, considere que el 0 es la posición totalmente retraída y el 100 la posición totalmente expulsada. En la figura 2.1-10 se tiene la configuración de dos detectores finales de carrera A0 y A1 colocados a los extremos de la carrera del cilindro.

Figura 2.1-10. Regla de distancia. Ahora se procede a dar nombre a las solenoides de la electroválvula, para esto se debe realizar doble clic sobre la electroválvula a configurar, en la figura 2.1-11 se muestra el apartado para dar marca o nombre a la solenoide.

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Figura 2.1-11. Configuración de solenoide. Ahora se colocar la alimentación de aire comprimido para el circuito de fuerza, puede colocarse el símbolo de alimentación de aire para cuando es un solo cilindro o se desea alimentación independiente, pero en la figura 2.1-12 se observa que se utiliza 1 alimentación para cinco cilindros, por lo tanto es necesario colocar entre la alimentación de aire comprimido y las electroválvulas una unidad de mantenimiento.

Figura 2.1-12. Unidad de alimentación de aire comprimido. Ya finalizado el circuito de fuerza, se procede a insertar los módulos o puertos de entradas y salidas del PLC, así como la conexión del circuito de control por PLC. Para esto se deben buscar y arrastrar al área de trabajo los módulos o puertos de entradas y salidas de FluidSim, como se muestra en la figura 2.1-13, cada módulo consta de ocho terminales y pueden ser colocados tantos módulos como se requieran para el control del proceso y como lo permitan las características del PLC.

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Figura 2.1-13. Módulos de entradas y salidas de FluidSim a PLC. Se debe tener en cuenta que la lógica de estos puertos es la siguiente, los módulos de entradas al PLC son los puertos de salida de FluidSim (FluidSim Out), mientras que los módulos de salidas del PLC serán los puertos de entrada a FluidSim (FluidSim In). Ya que se han colocado los puertos de entradas y salidas necesarios, se procede a conectar los dispositivos de señal para el control de la secuencia en los módulos de entradas del PLC, es decir, los detectores final de carrera, los botones pulsadores y sensores, así como, las solenoides en los módulos de salida del PLC. En la figura 2.1-14 se muestra la inserción de un botón pulsador, el cual será configurado con el nombre (INI), para dar etiquetas o nombres a los detectores y los botones pulsadores se debe dar doble clic sobre el dispositivo.

Figura 2.1-14. Marca para un botón pulsador. De la misma forma se insertan obturadores y se les da el mismo nombre que a los detectores final de carrera, para que actúen al momento que el cilindro los active, al dar doble clic sobre un obturador muestra una ventana como la de la figura 2.1-15.

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Figura 2.1-15. Marca de un obturador. Una vez que se tienen los detectores, sensores y pulsadores configurados y conectados a los puertos de salida de FluidSim se procede a colocar los solenoides en los puertos de entradas a FluidSim como se muestra en la figura 2.1-16.

Figura 2.1-16. Inserción de los solenoides. Para dar una marca o nombre a las solenoides se debe dar doble clic sobre el dispositivo a marcar, el sistema abrirá la ventana de la figura 2.1-17, se debe dar los nombres a los solenoides igual que en las electroválvulas, de lo contrario el sistema marcará un error, se deben tener tantos solenoides con en las electroválvulas.

Figura 2.1-17. Solenoide de la electroválvula A.

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Una vez que se tengan los solenoides configurados y conectados al puerto de entradas a FluidSim, se deben colocar las alimentaciones, de 24Vdc ya que se simulan electroválvulas a 24 volts de corriente directa, para los dispositivos de señal se deben colocar el positivo o +24Vdc, mientras que para los solenoides deben ser conectados a 0Vdc, como se muestra en la figura 2.1-18.

Figura 2.1-18. Alimentación del circuito de control por PLC. Una vez que se tienen configurados los circuitos de fuerza y de control por PLC, se deben configurar los puertos de entradas y salidas de FluidSim, para esto se debe hacer doble clic sobre el puerto a configurar, el sistema desplegará una ventana como la de la figura 2.1-19.

Figura 2.1-19. Configuración de puerto de FluidSim. En la ventana desplegada se puede visualizar dos selecciones, el de la parte superior corresponde a la selección del servidor OPC, mientras que el de la parte inferior corresponde a la configuración de la dirección del puerto de FluidSim con respecto al módulo de entradas o salidas digitales del PLC; al dar clic en el botón seleccionar… de la parte superior mostrará la figura 2.1-20, para el ejemplo de esta integración debe ser seleccionada el “FestoDidactic.EzOPC.1 (FestoDidactic.EzOPCV4.x)”, ya que ha sido seleccionado el servidor dar clic en OK.

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Debe tomarse en cuenta que para la configuración de los puertos de entradas y salidas de FluidSim se debe tener abierto y configurado el proyecto en el administrador SIMATIC, se debe tener cargado el programa en el PLCSim, esto se realizará en el tema 2.2 y debe estar ejecutado el servidor OPC.

Figura 2.1-20. Selección del servidor OPC. Ya que se ha seleccionado el servidor OPC, regresará a la pantalla de la figura 74, y se prosigue con la configuración de la dirección del puerto, esta dirección debe corresponder a los módulos del controlador lógico programable, de lo contrario no reconocerán el intercambio de datos. Al pulsar el botón de seleccionar… de la parte inferior desplegará la ventana de la figura 2.1-21, en donde se pueden visualizar los puertos de PLC, primero se debe seleccionar el PLCSim, para que muestre los módulos disponibles, estos se verán en la parte derecha de la ventana, se prosigue a seleccionar los módulos dando doble clic en la dirección deseada, se debe tomar en cuenta que los puertos EB son para los módulos de entradas en el PLC y los AB corresponden a los módulos de salida del PLC.

Figura 2.1-21. Dirección del puerto de salida de FluidSim.

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Una vez que se seleccionó la dirección se debe dar clic en OK, en la pantalla de configuración del puerto aparecerá la dirección seleccionada, como se muestra en la figura 2.1-22, si todo ha sido correcto se debe dar clic en aceptar.

Figura 2.1-22. Puerto de salida de FluidSim configurado. Esta configuración se debe realizar para cada módulo, verificando que cada puerto tenga su propia dirección y que correspondan con las entradas y salidas digitales del controlador lógico programable, para lograr un buen desempeño. En la figura 2.1-23 se observa el circuito de fuerza y control finalizados en el software FluidSim.

Figura 2.1-23. Circuito de fuerza y de control por PLC para un dispositivo de control de pesado de latas.

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Con este ejemplo se pueden adquirir los conocimientos necesarios para la configuración de los Circuitos de control por PLC y de fuerza en FluidSim, para la simulación de procesos electroneumáticos mediante la integración de softwares.

2.2

Siemens STEP 7.

El programa STEP 7, es el software estándar desarrollado por la empresa alemana Siemens para la programación y configuración de los sistemas de automatización SIMATIC. Dentro de este software se encuentran cuatro tipos distintos de lenguajes de programación, proporcionando al usuario una variedad para el uso de estos dispositivos, según le sea más cómodo. 1) Lenguajes literales. Lenguaje AWL; (Alemán Anweisungsliste), Lista de instrucciones, en esta forma se insertaran los comandos con un formato de texto con lo cual se crean las funciones del programa, con códigos predeterminados. Ejemplo de un programa con lenguaje AWL en la figura 2.2-1.

Figura 2.2-1. Programa de control de la secuencia A+B+B-A- en lenguaje AWL. 2) Lenguajes gráficos. Lenguaje KOP; (Alemán Kontaks plan), Este lenguaje ofrece como funciones los símbolos para crear el diagrama en escalera con lo cual se crea el programa para el PLC S7. Figura 2.2-2. Lenguaje FUP; (Alemán Funktions plan), Este tipo de lenguaje utiliza bloques y los ordena según la secuencia deba cumplir las condiciones, para la creación de los programas. Figura 2.2-3.

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Lenguaje S-7 GRAPH, este lenguaje utiliza la lógica del Grafcet, para la creación de los programas.

Figura 2.2-2. Programa de control manual de un cilindro de doble efecto en lenguaje KOP. Esta variedad de lenguajes aporta un ajuste de comodidad para la programación y uso del STEP 7, ya que dependerá de cada programador según sus conocimientos y su habilidad de manejo del software la programación con alguno de estos lenguajes o el conocimiento de todos, de la misma manera siemens pone a disposición algunos manuales básicos de operación con los diferentes lenguajes de programación.

Figura 2.2-3. Programa de control de la secuencia A+B+B-A- en lenguaje FUP. El software STEP 7 de siemens opera con diferentes tipos de datos, para que se realicen operaciones, con la finalidad de dar al programador un mayor alcance en la realización de programas empleando algún PLC S-7. [10].

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La programación con STEP 7 da una pauta a realizar programas que controlen procesos muy sofisticados, ya que, cuenta con librerías no solo para funciones básicas como contactos abiertos, cerrados y salidas, si no tiene una gran gama de librerías para emplear funciones más avanzadas como son, temporizadores, contadores, comparadores, operaciones matemáticas y convertidores de señal, entre otras funciones. El STEP 7 es un software que no es necesario ser un programador para poder realizar ejercicios o secuencias en él, debido a sus distintos lenguajes de programación es muy accesible y permite su uso mientras se va aprendiendo, incluso puede ser utilizado para el aprendizaje de PLC y su programación. Este software no solo ayuda a programar y descargar las secuencias a los PLC de la familia S7 de Siemens, también nos ayuda a monitorear el funcionamiento del PLC, por medio del administrador SIMATIC, se reúnen todas las aplicaciones del software, para crear dentro de un proyecto todos los datos y ajustes necesarios para la solución de su tarea de automatización. Por medio del STEP 7 es que se sincronizan o se comunican los PLC S7 de Siemens con la PC, se debe de configurar para que el sistema lo reconozca, pero el mismo software nos ayuda a realizar todo esto, siguiendo las instrucciones de los manuales de usuario, tanto de los PLC como del software para manejarlo, que es el STEP 7, simplemente es la base para, el aprendizaje, la operación, el monitoreo y la programación de los PLC de Siemens de la familia S7. El STEP 7 ofrece la ventaja de poder observar el funcionamiento del programa con un código de colores, que indican cuando cada elemento esta energizado o en funcionamiento y cuando no, mientras el programa se encuentra en ejecución. S7-PLCSim. El PLCSim es una aplicación, del software STEP 7 de Siemens, que está diseñado para la simulación de los módulos de un PLC S7. Este simulador puede ser diseñado, según el programador necesite de los módulos, es decir, el programador se encargara de ir insertando los módulos de entradas y de salidas en el simulador del PLC, serán direccionados, y configurados para responder a los impulsos del programa, en la figura 2.2-4 se observa la ventana del S7-PLCSim.

Figura 2.2-4. Ventana del simulador de PLC de Siemens PLCSim.

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Este simulador también cuenta con su panel para el estado del PLC, donde se puede controlar para mandarlo al estado de RUN o STOP, mediante la selección de la casilla del módulo, de esta forma el PLC simulara estar en el modo de operación correspondiente al seleccionado por el programador. El programador podrá colocar tantos módulos requiera, y no únicamente de módulos de entra y salida, también pueden ser insertados módulos de contadores, de temporizadores, marcas de bits, y acomodarlos como más le convenga. Además este software puede encontrarse en modo ON u OFF, esto es, que puede manipular el programa en ejecución o que únicamente sea una simulación. Para configurar algún módulo en el PLCSim, es necesario ir al menú insertar y seleccionar el tipo de módulo que se desea insertar, también puede efectuarse desde la barra de herramientas, seleccionar el módulo deseado, o de manera más directa pueden ser insertados mediante pulsar la tecla F2 para entradas, F3 para salidas, F4 para marca, F11 para temporizador y F12 para contador, en la figura 2.2-5 se puede observar la ventana de PLCSim con un módulo de entradas, uno de salidas y uno de marcas, cabe mencionar que cada módulo tiene 8 bits.

Figura 2.2-5. S7-PLCSim – SimView1. Este simulador es una parte fundamental en el desarrollo de nuestra herramienta virtual, ya que es el punto en donde se conecta el servidor OPC, con el programa creado en el STEP 7 para que sea enlazado y ejecutar la secuencia programada con el FluidSim. S7-KOP, AWL, FUP. Esta aplicación del STEP 7 sirve para realizar bloques de programación, es decir, con esta función se diseñaran los programas para los controladores lógicos programables de la marca Siemens de la familia S7. Como se ha mencionado anteriormente el software STEP 7 cuenta con cuatro lenguajes de programación, de los cuales tres pueden ser empleados para el diseño de los bloques con la función S7-KOP, AWL, FUP. Para el caso de este trabajo se empleara el lenguaje de programación KOP o lenguaje de contactos, para el diseño de secuencias con los métodos cascada y paso a paso. Como primer paso para comenzar con el diseño algún programa se debe ejecutar el bloque OB1 la figura 2.2-6 muestra la pantalla del administrador SIMATIC con el bloque listo para ser ejecutado.

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Figura 2.2-6. Bloque de programación OB1. Una vez que el bloque a sido ejecutado el sistema desplegará una ventana como la de la figura 2.2-7, en esta ventana se puede dar una etiqueta o símbolo al bloque de programación, también se puede dar comentario, visualizar la dirección donde se ha guardado el bloque, elegir el lenguaje de programación, como a sido mencionado antes se seleccionará el lenguaje KOP.

Figura 2.2-7. Propiedades del bloque de programación. Ya que el bloque a sido configurado como el usuario lo requiera, se debe pulsar el boton de aceptar, de este manera el sistema abrira la pantalla del S7-KOP, AWL, FUP y se podra comenzar con el diseño. Dentro de la pantalla principal del bloque de programación se deben dintinguir cuatro areas principales, las cuales seran fundamentales para el diseño de los programas, estas areas son las siguientes: 1. La barra de elementos del programa; dentro de esta barra se encontraran diferentes tipos de operaciones, con la finalidad de dar al usuario herramientas potentes para la solución de diferente proyectos, y dar al PLC ventajas de aplicación por sobre otros

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tipos de control, a pesar de sus dimensiones y costo; a continuación se mencionan los diferentes tipos de operaciones que se ofrecen al programa con el lenguaje KOP. En la figura 2.2-8 se observa la barra de elementos, la cual se bserva del lado izquierdo de la pantalla principal. o o o o o o o o

Operaciones lógicas con bits. Operaciones de comparación. Operaciones de conversión. Operaciones de contaje. Operaciones con bloques de datos. Operaciones de salto. Operaciones aritmeticas. Operaciones de temporización.

Figura 2.2-8. Barra de elementos del programa. 2. Barra de herramientas; Esta barra esta constituida por iconos en los que se pueden distinguir las funciones de abrir, nuevo, guardar, cargar, observar si/no, nuevo segmento y algunas de las operaciones logicas del programa, estos iconos ayudan para el diseño y cnfiguración del programa, esta barra se muestra en la imagen 2.2-9.

Figura 2.2-9. Barra de herramientas. 3. Barra de menus; En esta barra se encuentran los menus de archivo, edición, insertar, sistema de destino, test, ver, herramientas, ventana y ayuda, estos menus ayudan para el diseño o configuración ya sea del sistema, un ejemplo es dentro del menu ver se pude cambiar el lenguaje de programación o el zoom del programa, en la figura 2.2-10 se puede observar la barra de menus.

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Figura 2.2-10. Barra de menus. 4. Espacio de trabajo; Este es el área de diseño del programa se distingue por que es el área mas grande y de inicio se tiene un segmento por default y espacios para realizar comentarios. Una vez que se tiene la ventana abierta y lista para comenzar con el diseño, se recomienda dar un nombre y un breve comentario del funcionamiento del programa. En la figura 2.2-11 se tiene el comienzo de un programa para el control de un dispositivo de pesado de latas.

Figura 2.2-11. Inicio de un programa. Posteriormente se procese a ingresar las operaciones necesarias para el control del programa, esto se hace con la selección del segmento, después ya sea desde la barra de herramientas o desde la barra de elementos del programa se seleccionan las operaciones necesarias, tocando en la barra de herramientas las operaciones, o arrastrando desde la barra de elementos del programa la operación deseada, para el ejemplo de la figura 2.2-12 será necesario el uso de dos contactos abiertos para las entradas del botón de inicio y del detector A0 como condiciones de activación del segmento.

Figura 2.2-12. Inserción de dos contactos abiertos. Nótese que sobre los contactos aparecen tres signos de interrogación en color rojo, eso es debido a que no están direccionados los contactos, para realizar este proceso es necesario de seleccionar los signos de interrogación dando un solo clic sobre el signo, aparecerá un cuadro de texto, dentro de este cuadro se debe escribir la dirección correspondiente al

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dispositivo de señal en el puerto de FluidSim considerando para las direcciones de entradas físicas digitales la letra i seguida del byte y separando del byte mediante un punto el bit correspondiente, por ejemplo i0.0, o utilizando el símbolo si es que se configuro la tabla de símbolos. En la figura 2.2-13 se tienen los contactos direccionados mediante su símbolo.

Figura 2.2-13. Contactos abiertos direccionados al botón de inicio y al detector final de carrera A0. Para las direcciones de las salidas físicas se debe ocupar la letra O seguida del byte y el bit deseado, O4.1, para las direcciones de las marcas será necesario utilizar la letra M, por ejemplo M0.0, las marcas pueden ser utilizadas para funciones internas, los temporizadores utilizan la letra T, pero estas operaciones ya no tendrán byte o bit, solamente llevará el número del temporizador comenzando por el numero 4 ya que no se pueden utilizar T1, T2 o T3, por cuestiones del sistema, para la configuración del tiempo se debe usar la siguiente nomenclatura: S5T# el tiempo deseado con dígitos decimales y la unidad en segundo (s) o en milisegundos (ms), por ejemplo S5T#15ms. Ahora se prosigue a conectar un contacto de enclave, esto con el fin de mantener la línea energizada, para esto es necesario seleccionar la línea que se encuentra antes del primer contacto abierto, en la barra de herramientas se encuentra el icono abrir rama, se distingue por ser una flecha que apunta hacia el lado derecho, se da clic e insertará una línea debajo de los contactos, ahora se inserta otro contacto abierto y por último la flecha que se encuentra después del contacto se toma y se arrastra a la salida del contacto A0. En la figura 2.2-14 se tiene el contacto de enclave insertado.

Figura 2.2-14. Contacto paralelo.

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Para finalizar el segmento 1 se deben colocar un contacto cerrado y una bobina de salida como se ha dicho anteriormente se encuentran en la barra de herramientas o en la de elementos de programa, y las cuales deben ser direccionadas a la bobina VA1, mientras que el contacto que se encuentra en paralelo se direcciona a la misma que la bobina, como se muestra en la figura 2.2-15 el ejemplo del programa.

Figura 2.2-15. Segmento 1 terminado. Después se deben insertar los segmentos necesarios e ir configurando los dispositivos cumpliendo con el método de diseño utilizado para la solución de la secuencia electroneumática. Para la inserción de otros segmentos se debe realizar igual que los otros dispositivos, desde la barra de herramientas o de la barra de elementos de programa. En la figura 2.2-16 se tiene un segundo segmento para el ejemplo del control del peso de latas.

Figura 2.2-16. Inserción de segmento. Para la integración de operaciones más complejas, deben ser arrastradas desde la barra de elementos de programa, hasta el segmento deseado. Cuando ya se tenga el programa finalizado se debe guardar ya sea desde la barra de menús en archivo guardar o en la barra de herramientas con el icono de guardar, automáticamente el sistema compilará el

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programa y en caso de errores notificará desde la barra de estado en la parte inferior, pero si el programa no contener errores debe ser cargado el PLC desde la barra de herramientas en el icono cargar, en la figura 2.2-17 se tiene el programa del control de paso de latas, resaltando el icono de cargar desde la barra de herramientas. [3], [4].

Figura 2.2-17. Programa de PLC usando lenguaje KOP. S7-GRAPH. Esta aplicación del STEP 7 sirve para el uso del método de Grafcet como lenguaje de programación para los controladores lógicos programables S7-300 y S7-400 de Siemens. Para poder diseñar un programa con la metodología de Grafcet es necesario seguir los siguientes pasos. Cuando se llegue en el administrador SIMATIC a la carpeta de bloques, se debe insertar un bloque de función, para esto se elige el menú insertar bloque S7 y por último bloque de función, como se muestra en la figura 2.2-18.

Figura 2.2-18. Insertar un bloque de función.

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Una vez que fue seleccionado el comando para la inserción del bloque de función desplegará la pantalla de propiedades del bloque figura 2.2-19, para que el usuario pueda configurar los parámetros de símbolo y comentarios del bloque, además de visualizar la dirección donde se guarda el bloque, el nombre e incluso las fechas de creación y modificación del bloque.

Figura 2.2-20. Propiedades del bloque de función. Se debe notar que esta pantalla es igual a la de propiedades del bloque de programación, pero con la diferencia que en esta pantalla en el apartado de lenguaje, ahora tenemos el GRAPH, indicativo del Grafcet como lenguaje de programación para PLC Siemens. Una vez que el bloque se ha configurado, se debe pulsar el botón de aceptar, para que el sistema cree dentro del proyecto el bloque FB1, después de dar clic en aceptar deberá aparecer el icono como en la figura 2.2-21.

Figura 2.2-21. Bloque FB1 insertado en el proyecto. Ya que se tiene el bloque insertado debe ser ejecutado para poder comenzar con el diseño del programa empleando la metodología del Grafcet, esto se realiza dando doble clic sobre el icono del FB1, el sistema abrirá una nueva ventana como la que se tiene en la figura 2.222.

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Figura 2.2-22. Pantalla principal del S7-GRAPH. Nótese que el sistema por default tiene la etapa 1 y la transición 1, esta será la referencia para comenzar a programar la secuencia del diseño en Grafcet. En esta pantalla se tienen dos barras muy importantes para el diseño del Grafcet como lenguaje de programación. 1. Barra de herramientas; Esta barra se encuentra en la parte superior del área de trabajo, en ella se encuentran los iconos de la funciones como nuevo, abrir, guardar, cargar, observar si/no, dar zoom al área de trabajo, e incluso para insertar contactos abierto o cerrados en las transiciones. En la figura 2.2-23 se observa la imagen de la barra de herramientas del S7-GRAPH.

Figura 2.2-23. Barra de herramientas. 2. Barra de comandos; Esta barra se encuentra en la parte izquierda de la pantalla principal de S7-GRAPH, con esta barra se da el formato de la secuencia de Grafcet, se encuentran las funciones para realizar secuencias alternas o de selección y para secuencias simultaneas, también se tienen las funciones para insertar cadenas o inicios de cadena y saltos, esto con la finalidad de dar un mayor alcance en la programación del Grafcet. En la figura 2.2-24 se tiene la barra de comandos. [6].

Figura 2.2-24. Barra de comandos. Ya que se tiene conocimiento de la pantalla y las funciones del S7-GRAPH, se puede comenzar con la edición de cadenas, el primer paso es realizar la estructura coincidente con el Grafcet diseñado previamente, para ello es necesario insertar etapas y transiciones, un modo es utilizando la barra de comandos, pero un modo más ágil seria dando clic derecho sobre la última transición, insertar y por último seleccionar insertar etapa + transición. Un ejemplo de esto se muestra en la figura 2.2-25.

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Figura 2.2-25. Inserción de etapa + transición. Para la configuración de una rama simultánea es necesario el uso de la barra de comandos, seleccionar el icono de abrir rama simultánea, posteriormente se debe seleccionar la transición de donde saldrá la rama, el sistema insertará otra etapa, si es necesario insertar más etapas se debe clic derecho sobre la etapa insertada y volver a seleccionar insertar etapa + transición, para finalizar se debe seleccionar de la barra de comandos el icono cerrar rama simultánea, se debe elegir la rama a cerrar y posteriormente seleccionar el punto donde se va a cerrar. En la imagen 2.2-26 se tiene un ejemplo de una rama simultánea.

Figura 2.2-27. Rama simultánea. Para realizar una etapa temporizada como indica la normatividad de Grafcet existen tres formas, dentro de S7-GRAPH pueden ser empleadas las tres formas, la primera se realiza como una condición de la transición desde la barra de comandos insertar una supervisión de tiempo, la segunda también puede realizarse como una etapa si ninguna acción y solo que cumpla la condición de tiempo en la transición o la tercera puede configurarse desde la acción de la etapa un retardo para la ejecución de la acción. En la figura 2.2-28 se muestra la inserción de una supervisión de tiempo en la transición 3 con un retardo de 5 segundos.

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Figura 2.2-28. Supervisión de tiempo. Para configurar el tiempo es necesario observar en la supervisión de tiempo que se ha insertado, en la parte inferior un comando por default será T#100MS, lo cual será igual a un retardo de cien milisegundos, para cambiar este tiempo se debe seleccionar y cambiar el numero por el valor deseado en decimal, y si se requieren segundo solamente omitir la M, para el ejemplo de la figura 2.2-28 se tiene un retardo de 5 segundos con el comando de la siguiente manera: T#5S. Para realizar una secuencia con selección es necesario insertar desde la barra de comandos la operación abrir rama alterna, con el cursor se debe seleccionar el punto donde será necesaria la bifurcación, posteriormente el sistema insertará una transición, se deben configurar la etapas y transiciones necesarias para cumplir con la solución propuesta del Grafcet, y finalizar dando clic al icono cerrar rama alterna seleccionar con el cursor la rama a cerrar y por ultimo seleccionar el punto de cierre, en el ejemplo de la figura 2.2-29 se tiene una rama alterna, pero pueden ser insertadas más.

Figura 2.2-29. Rama alterna. Para el caso de las secuencias que requieran de un salto, puede insertarse de dos manera la primera es mediante la barra de comando en insertar salto, seleccionar el punto final con el cursor y después el punto destino, o bien dando clic derecho en el primer punto seleccionar

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insertar salto y seleccionar el punto de destino, para el ejemplo de la figura 2.2-30 se insertó un salto de la última transición a la primera etapa.

Figura 2.2-30. Salto. Ya se tiene el diseño de la secuencia de Grafcet, paro aún no se han declarado las condiciones de transición o las acciones de cada etapa, porque es necesario seguir los siguientes pasos. La primera etapa para el ejemplo será de reposo, por lo que en la transición 1 se debe seleccionar y después insertar desde la barra de herramientas un contacto abierto el cual será un botón de inicio de secuencia. En la figura 2.2-31 se tiene el contacto insertado, pero sin dirección.

Figura 2.2-31. Inserción de un contacto. Para dar dirección a un contacto, puede ser utilizada la dirección en la que se encuentra el dispositivo de señal, o bien si se realizó la tabla de símbolos se pude utilizar el símbolo, para esto se debe seleccionar el espacio para la dirección, los signos de interrogación, posteriormente sobre el cuadro de texto insertar la dirección o bien el símbolo. Pueden ser configuradas todas la transiciones primero o puede alternarse entre una transición y una acción, por lo que se prosigue a configurar las acciones dentro de las etapas, para esto se debe observar en cada etapa del lado derecho un recuadro, donde dice STEP y el número de etapa, sobre ese recuadro dar clic derecho con el cursor y seleccionar insertar acción, debajo del recuadro se crea una pequeña tabla con dos recuadros donde solo hay signos de interrogación, del lado derecho se debe declarar la dirección o el símbolo de la salida que se desea controlar, mientras que del lado izquierdo en el recuadro pequeño lleva el valor binario que se le va a otorgar a la salida, para estos valores se observan en la tabla 2-1 la relación de símbolos:

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Operando Función a desempeñar. N Manda la salida a 1 únicamente en esa etapa. R Activar la salida. S Desactivar la salida. D Retardo de acción. Tabla 2-1. Acciones de S7-GRAPH. En la figura 2.2-32 se puede visualizar la acción de la etapa 2, la cual consiste en activar la salida Q4.0 durante el funcionamiento de esta etapa.

Figura 2.2-32. Configuración de acción. Una vez que se tenga finalizado el programa según el diseño del Grafcet, debe ser cargado al PLC, para esto como se observa en la figura 2.2-33 con el icono de la barra de herramientas se debe guardar y cargar el programa en S7-GRAPH.

Figura 2.2-33. Cargar una secuencia de S7-GRAPH.

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2.3

Interfaz Hombre-Máquina (HMI).

Una HMI por sus siglas en ingles human machine interfaz, es un ambiente, para la supervisión y control de procesos industriales en tiempo real. Estos sistemas permiten la interacción entre el operador y la maquina o maquinas del procesos a controlar. En sus inicios las HMI se conformaban por dispositivos de mando para las diferentes clases de máquinas que se encontraban en el proceso, como botones pulsadores, interruptores y variadores de señal, como los son, reóstatos eléctricos o reguladores de presión neumáticos, también contaban con elementos indicadores lámparas o displays, todo esto montados en tableros que se encuentran en campo o en cuartos de control. Actualmente debido a la implementación de las PC en los procesos industriales se necesitó el uso de nuevas tecnologías para el monitoreo, adquisición de datos, la reducción de espacios, mejora de la eficiencia en el control de procesos y aumentando la seguridad del proceso. La interfaz hombre-maquina, permite al operador el control del proceso mediante botones virtuales manipulados desde el cursor, el teclado o la pantalla, ofrece de forma gráfica las condiciones de operación del procesos siendo capaz de activar alarmas audio visuales cuando el proceso presente algún riesgo, permite el manejo de datos, y administración de históricos del proceso. [7]. Se deben tomar en cuenta diferentes puntos para el diseño y selección de la HMI o el software para diseñarla, las primeras consideraciones son para la elección de software: Tamaño del proceso, costo del software, complejidad de programación, para el diseño de una HMI se deben considerar los siguientes puntos: o o o o o o o

Tamaño del proceso. Puntos significativos del proceso. Posibles puntos de riego del proceso. Complejidad de las entradas y salidas. Interconexión con otros sistemas. Ambiente de trabajo. Normatividad.

Para el caso del trabajo fue seleccionado el software de LabVIEW de la empresa National Instruments, debido a su forma de programación gráfica y a la comunicación vía OPC con el software de Siemens. Se llevará a cabo un ejemplo del diseño de una sencilla HMI mediante el uso del LabVIEW y comunicación con STEP 7 para la solución de una secuencia de operación de un dispositivo de control de peso de latas, el cual emplea cinco cilindros de doble efecto y se controlará mediante un PLC S7-300 de Siemens.

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Una vez que se tenga un bosquejo sobre el diseño de la HMI, se prosigue con su programación dentro del software mencionado, y se debe definir el área de la HMI en la barra de controles se debe buscar la sección de decoraciones para insertar un cuadro con el que se definirá el espacio de trabajo. En la figura 2.3-1 se observa el cuadro colocado para establecer las dimensiones de la HMI.

Figura 2.3-1. Dimensiones de la HMI. Ahora se prodigue a insertar un espacio donde se pueda visualizar el nombre del proceso que controla la HMI, esto con la finalidad de que el operador y cualquier usuario que trabaje la HMI conozca el dispositivo que se ejecuta, para esto es necesario la inserción de texto mediante el icono para editar texto que se encuentra en la barra de herramientas, en la figura 2.3-2 se encuentra el nombre del dispositivo a controlar desde la HMI.

Figura 2.3-2. Edición de texto. Para dar diferentes características al texto, será necesario después de colocarlo en el área de trabajo, de seleccionarlo con el cursor y en el icono 13pt aplication Font, desplegar las funciones, se podrán definir parámetros de tamaño, color, tipo de texto y alineación. Ahora se prosigue con la inserción del botón de inicio de la secuencia, para encontrar esta función será necesario buscar en la barra de controles la sección de botones y switches y

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arrastrar al área definida para HMI cualquiera de los botones pulsadores, en la figura 2.3-3 se empleó un botón pulsador de OK, pero se configura con la edición de texto para que se visualice que es un botón de inicio, además se le aumento el tamaño.

Figura 2.3-3. Botón pulsador de inicio en HMI. Ahora se deben insertar las luces indicadoras de activación de los solenoides de las electroválvulas, para esto en la barra de controles en las funciones LEDs se podrán insertar indicaciones luminosas en forma de círculos o rectángulos, para este caso se deben insertar 10, dos por cada electroválvula como se puede ver en la figura 2.3-4, para esto indicadores luminosos se mantendrán los colores de apagado y encendido que el sistema da por default. Y de esta manera se tiene el diseño final de la HMI para el dispositivo de control de peso de lata.

Figura 2.3-4. Indicadores de estado de electroválvulas y HMI finalizada. Ya que se tiene el diseño de la HMI se debe proseguir a realizar la conexión de los dispositivos con el programa del controlador lógico programable el STEP 7. Para esto es necesario ir a la pantalla de bloque de diagramas, en caso que no se encuentre abierta la pantalla se puede abrir desde el menú Window, Show Block Diagram y el sistema abrirá la pantalla de la figura 2.3-5, nótese que se tienen los diagramas de las funciones acomodados de una forma similar al HMI.

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Figura 2.3-5. Bloque de diagrama del HMI. Ya que se encuentra en la pantalla del bloque de diagrama se deberán direccionar los botones primero, por lo que será necesario dar un clic derecho sobre el botón de inicio, ir a data oprerations y finalmente seleccionar DataSocket connection, así como se muestra en la figura 2.3-6.

Figura 2.3-6. DataSocket Connection. Ya que se ha seleccionado la DataSocket Connection el software abrirá la siguiente pantalla como la de la figura 2.3-7 para poder comenzar con la configuración de la conexión del botón con el software FluidSim y el PLCSim del STEP 7.

Figura 2.3-7. Pantalla del DataSocket Connection.

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Posteriormente dentro de la pantalla del DataSocket Connection se muestran la barra para ingresar la dirección del dispositivo a comunicar vía OPC, debido a que esta dirección es desconocida se debe seleccionar el icono Browse y luego Browse Measure Data como se observa en la figura 2.3-8.

Figura 2.3-8. Browse Measure Data El sistema cargara la pantalla para seleccionar la dirección del objeto o ítem, para esto se debe desplegar la opción Mi PC, después seleccionar el OPC que se está empleando en este caso el Festo Didactic EzOPC, después el software con el que se va a direccionar que será el PLCSim del STEP 7 y para finalizar la dirección del PLC que está siendo empleada, en la figura 2.3-9 se puede observar la parte de la selección de la dirección.

Figura 2.3-9. Selección de la dirección. Una vez seleccionado el bit del dispositivo se debe dar clic en el botón OK para que ingrese la ruta seleccionada de la dirección en la pantalla del DataSocket Connection como se puede ver en la figura 2.3-10, además se debe seleccionar si el tipo de conexión es publica, suscripción o ambas. Y se debe confirmar pulsando el botón Attach.

Figura 2.3-10. Dirección configurada.

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Una vez que se ha dado dirección al botón en el panel frontal del LabVIEW se observara que del lado derecho del botón se tiene un pequeño recuadro como se ve en la figura 2.311, este recuadro indica que el dispositivo esta direccionado y al momento de correr el programa indicara si la conexión se encuentra en orden.

Figura 2.3-11. Botón direccionado al FluidSim y al PLCSim. Este procedimiento debe ser aplicado para cada dispositivo indicador o controlador de la HMI, siempre teniendo la precaución de utilizar correctamente cada dirección según la nomenclatura elegida con el programa del PLC, ya que de otra forma no se llevara a cabo la comunicación entre el programa de PLC, la HMI y el simulador FluidSim.

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CAPÍTULO 3

Integración de software mediante servidor OPC.

Dentro de este capítulo se explica de forma detallada la integración de FluidSim de Festo y STEP 7 de Siemens, mediante un servidor OPC para la simulación de secuencias electroneumáticas, ya sea empleando la metodología de Grafcet como lenguaje de programación o con lenguaje de escalera (KOP) utilizando el método Cascada o Paso a Paso, para el uso de esta herramienta virtual. A continuación en la figura 3-1 se describen los pasos a seguir para conectar vía OPC, el FluidSim y el STEP7, mediante el diagrama de bloques.

Figura 3-1. Diagrama a bloques de la integración.

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Para ejemplificar la integración del Festo FluidSim con el STEP 7 de Siemens, se utilizará una secuencia de un dispositivo de control de peso de latas, este proyecto fue seleccionado debido a que cuenta con varias características como son movimientos simultáneos, etapa temporizada, y selección de movimientos. Para conocer el funcionamiento del ejercicio se tienen las siguientes especificaciones. La máquina cuenta con una cinta transportadora, por donde se trasladan latas. El primer cilindro (A) empuja una de las latas a una báscula, el cilindro (B) desbloquea la báscula, se da un tiempo de 5seg para el pesado, transcurrido el tiempo el cilindro vuelve a bloquear la báscula. Si el peso de la lata se encuentra dentro de la tolerancia el cilindro (C) devuelve la lata a la cinta, si el peso de la lata es mayor o menor que el peso de tolerancia el cilindro (D) manda la lata a una segunda cinta transportadora. Una vez terminado el movimiento de C o D, el cilindro (E) hace que la primer cinta transportadora se mueva a la siguiente lata. En la figura 3-2 se observa el esquema del dispositivo. Se requiere de un botón pulsador normalmente abierto (NA) para arrancar la secuencia de la máquina. El sensor de peso de la báscula será simulado mediante un botón pulsador normalmente abierto (NA). Esta secuencia cuenta con cinco cilindros de doble efecto controlados por electroválvulas biestables. En la secuencia intervienen un movimiento simultáneo de los cilindros A y B, una etapa temporizada para censar el peso de las latas y una función de selección de movimiento para determinar si se mueve el cilindro C o el cilindro D, según las especificaciones del proceso.

Figura 3-2. Esquema físico. Para poder realizar la comprobación del buen funcionamiento del sistema diseñado y simulado mediante la integración del FluidSim y el STEP 7, se presenta en la figura 3-3 el

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diagrama de estado de los movimientos de los cilindros del dispositivo.

Figura 3-3. Diagrama de estado para el control de peso de latas. Paso 1 Cumpliendo con el diagrama a bloques, se debe contar con una secuencia electroneumática para realizar el control mediante un PLC. En la figura 3-4 se muestra la ecuación de movimientos del dispositivo según el diagrama de estado.

Figura 3-4. Ecuación de movimientos. Paso 2 Ejecutar en el FluidSim el diseño del circuito de fuerza y el circuito de control con las tarjetas de PLC y configurarlas para la conexión con los módulos de entradas y salidas correspondientes como se realizó anteriormente, en la figura 3-5 se muestra el circuito de fuerza y control en FluidSim.

Figura 3-5. Circuito en FluidSim.

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Paso 3 Elegir el método de diseño para la resolución de la secuencia electroneumática, para este trabajo se utilizaran en el siguiente orden los métodos de diseño, primero método cascada, método paso a paso y finalmente la metodología de Grafcet. Paso 4 Ejecutar el administrador SIMATIC, abrir un nuevo proyecto, el sistema mostrara la pantalla para la configuración de las propiedades del proyecto como en la figura 3-6, en esta pantalla se puede dar nombre al proyecto y elegir la carpeta donde se guardará.

Figura 3-6. Configuración del proyecto. Paso 5 Dentro del administrador insertar el controlador lógico programable S7-300 o S7-400, mediante el menú insertar equipo como se muestra en la figura 3-7. Para este ejemplo se empleará un PLC SIMATIC 300. De esta forma se define el PLC a configurar.

Figura 3-7. Inserción de un equipo al proyecto. Paso 6 Ahora el PLC debe ser configurado, para ello se debe realizar doble clic en el equipo recién insertado. Abrirá la carpeta creada para el equipo, en ella está la opción

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Hardware, como se muestra en la figura 3-8, que sirve para configurar el equipo. Dar doble clic al icono de Hardware.

Figura 3-8. Configuración de equipo. Paso 7 Abrir la pantalla para configurar el Hardware, se debe seleccionar un bastidor para SIMATIC 300, insertar una fuente de poder, seleccionar una CPU y los módulos de entradas y salidas necesarios, en la figura 3-9 se muestra la pantalla inicial para configuración del Hardware.

Figura 3-9. Configuración de Hardware pantalla inicial. Del lado derecho de la pantalla anterior se observa una barra donde se pueden encontrar los equipos SIMATIC, los protocolos PROFIBUS y los elementos para configurar el controlador lógico programable como en la figura 3-10 se puede observar.

Figura 3-10. Barra de elementos.

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Paso 8 Se debe seleccionar el equipo correspondiente, para este caso el SIMATIC 300, desplegara algunos comandos, posteriormente colocar un bastidor notará que del lado izquierdo se creara una tabla como se muestra en la figura 3-11, representa los módulos del PLC.

Figura 3-11. Configuración de los módulos del PLC. Paso 9 Colocar en el módulo 1 del bastidor una fuente de alimentación para el PLC, esta se encuentra en la carpeta PS-300. En la figura 3-12 se muestra como debe quedar la fuente de alimentación en el bastidor.

Figura 3-12. Inserción de la fuente de poder. Paso 10 Se prosigue con la selección y colocación de la unidad central de procesamiento (CPU), para encontrar se debe desplegar la carpeta de CPU-300, se encontraran todas las CPU disponibles para los controladores lógicos programables S7-300, en la figura 3-13 se puede observar que se ha insertado una CPU 315, la CPU debe ser insertada en el módulo número 2 del bastidor.

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Figura 3-13. Inserción de la CPU. Paso 11 A partir del módulo cuatro del bastidor se deben colocar los módulos de entradas y salidas, digitales o analógicas y especiales que se van a utilizar con el PLC para el control del proceso, en la figura 3-14 se pueden observar los módulos de entradas digitales en el módulo cuatro y el de salidas digitales en el módulo 5. Cabe mencionar que en la tabla del bastidor muestra las direcciones de entradas y salidas en las que se han configurado los módulos, esto es muy importante ya que muestra las direcciones a emplear a la hora de realizar el programa.

Figura 3-14. Selección de módulos de entradas y salidas digitales. Ya que se ha finalizado de configurar el controlador lógico programable, se deben guardar las configuraciones realizadas en el hardware, para que estas sean cargadas y ejecutadas al proyecto. Paso 12 Ya realizadas las configuraciones del PLC, aparecerá en la pantalla del proyecto dentro del administrador la CPU seleccionada como se muestra en la figura 3-15, esto indica que las configuraciones de la fuente de poder, la CPU y los módulos de entradas y salidas digitales han sido cargados al proyecto, esta se debe abrir para poder realizar el

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programa y quede guardado en la misma CPU del proyecto.

Figura 3-15. CPU cargada en el proyecto. Paso 13 Cuando se ejecuta el icono de la CPU, se genera otra pantalla como en la figura 3-16, en esta se debe abrir la carpeta de programa S7 para poder realizar el programa en sus diferentes opciones.

Figura 3-16. Pantalla del proyecto carpeta de programa y enlaces. Paso 14 Una vez que se ha ejecutado la carpeta de Programa mostrará la figura 3-17, y se prosigue con la edición de la tabla de símbolos, este paso no es estricto, pero si es recomendable editar la simbología que se va a emplear en el programa, esto ayuda a definir claramente las direcciones de entradas y salidas, los temporizadores, contadores y si así se desea hasta los bits de memoria que se van a emplear para la programación, ya que a la hora de realizar el programa las funciones pueden ser direccionadas directamente con el símbolo que se le ha otorgado o bien con la nomenclatura que Siemens ha colocado.

Figura 3-17. Pantalla del proyecto carpeta de programas. Paso 15 En la tabla generada por la pantalla escribir el nombre de cada dirección y el símbolo con la que se va a representar en el programa como se muestra en la figura 3-18. Una vez finalizada la edición de la simbología se deben guardar los cambios realizados para que el sistema reconozca los símbolos editados en este paso para cada dirección en la memoria.

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Figura 3-18. Pantalla del Editor de símbolos. Paso 16 Regresar a la pantalla del administrador SIMATIC figura 3-19, y dar doble clic en la carpeta de bloques para definir el tipo de lenguaje en el que se va a programar el proyecto según el método de diseño que se vaya a emplear.

Figura 3-19. Pantalla del proyecto seleccionar carpeta de bloques. Paso 17 Según el método de diseño que se desee pasar al programa de PLC será necesario configurar el software correspondiente en STEP 7.  Programa con método cascada. Siguiendo el procedimiento del método cascada, se debe realizar el programa de control para cumplir con la secuencia del proceso según la ecuación de movimientos, se tiene el programa en método cascada en la figura 3-20.

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Figura 3-20. Programa en PLC utilizando método Cascada.

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 Programa con método paso a paso. Siguiendo el procedimiento del método paso a paso, se debe realizar el programa de control para cumplir con la secuencia del proceso según la ecuación de movimientos, se tiene el programa en método paso a paso en la figura 3-21.

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Figura 3-21. Programa de PLC empleando método Paso a Paso.  Programa con método Grafcet. Siguiendo el procedimiento de la metodología de Grafcet, se debe realizar el programa de control para cumplir con la secuencia del proceso según la ecuación de movimientos, se tiene el programa en S7-GRAPH en la figura 3-22.

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Figura 3-22. Programa utilizando la metodología de Grafcet. Dispositivos Cascada Paso a paso Grafcet Bits de entradas 12 12 12 Bits de salidas 10 10 10 Bits de marcas 8 2 1 Temporizadores 1 1 1 Contactos abiertos 44 37 23 Contactos cerrados 12 16 0 Líneas de programa 18 12 12 Tabla 3-1. Comparación de métodos.

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En la tabla 3-1 se pueden observar las características y elementos de los programas con las tres metodologías de diseño. Paso 18 Se procede a abrir el software PLCSim de Siemens, desde el administrador SIMATIC, configurar los módulos de entradas, salidas, temporizadores, contadores y bits de memoria, para que se pueda observar su funcionamiento, no es necesario tener todos los módulos a excepción de los módulos de entradas y salidas, si deben estar colocados en el PLC. En la figura 3-23 se tienen los módulos de la CPU, los dos módulos de entradas digitales y los dos módulos de salidas digitales.

Figura 3-23. PLCSim. Paso 19 Cargar el programa al PLCSim desde el administrador o desde la pantalla de edición del programa para PLC. En la figura 3-24 se muestra la pantalla que se despliega cuando se carga un programa en Grafcet.

Figura 3-24. Pantalla para cargar un programa de S7-GRAPH.

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Paso 20 Ejecutar el servidor OPC y seleccionar los softwares que serán enlazados mediante la comunicación cliente servidor. En la figura 3-25 se muestra la pantalla del servidor EzOPC.

Figura 3-25. Pantalla del Festo Didactic EzOPC – V5.3. Paso 21 Se debe colocar el PLCSim en el modo RUN, para poder simular el funcionamiento de la secuencia controlada por PLC. Como se muestra la figura 3-26 la CPU en modo RUN.

Figura 3-26. PLCSim en modo RUN. Paso 22 Ejecutar el FluidSim, dar clic en el icono de play, las líneas de alimentación neumática se pondrán en color azul, mientras que las líneas de energía eléctrica se pondrán en color rojo, así como, las entradas que estén energizadas, y se podrá ejecutar las secuencia con los softwares integrados mediante el servidor OPC, verificando el correcto funcionamiento de la secuencia electroneumática dentro de un ambiente virtual.

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En la figura 3-27 se puede observar la simulación de la solución electroneumática del dispositivo de control del peso de latas empleando el diseño con el método cascada enlazando una HMI, la solución en programa de PLC del STEP 7 con su simulador de PLC el PLCSim y la simulación del circuito de fuerza en el FluidSim.

Figura 3-27. Diseño y simulación usando el método cascada. En la figura 3-28 se tiene la simulación del dispositivo de control de peso de latas utilizando el método paso a paso para el diseño de la solución en el programa STEP 7 para comunicar mediante el PLCSim el STEP 7, FluidSim y una HMI a través de un servidor OPC.

Figura 3-28. Diseño y simulación usando el método paso a paso.

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En la figura 3-29 se observa la simulación utilizando el Grafcet como método de diseño, el software S7-GRAPH para la solución mediante PLC, FluidSim para la simulación del circuito de Fuerza y el simulador PLCSim del STEP 7.

Figura 3-29. Diseño y simulación usando el método de Grafcet.

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CAPITULO 4

Aplicación y análisis de los métodos.

En esta sección se llevará a cabo una comparación entre los tres métodos para diseño del programa para dar solución a las secuencias electroneumáticas, cascada, paso a paso y Grafcet, para la simulación mediante un controlador lógico programable S7-300 de Siemens con el FluidSim y el servidor OPC para verificar el correcto funcionamiento del proyecto según la ecuación de movimientos y el diagrama de estado de cada secuencia electroneumática. De acuerdo a la investigación realizada para obtener diferentes proyectos de automatización electroneumática se llevó a cabo una clasificación de las secuencias electroneumáticas según los movimientos ejercidos por los cilindros neumáticos. Después de reunir una cantidad de secuencias electroneumáticas se determinaron los siguientes tipos: Secuencias lineales cortas. Secuencias lineales largas. Secuencias con repetición de movimientos. Secuencias con movimientos simultáneos. Secuencias con etapas temporizadas. Secuencias con función selectiva. Secuencias con movimientos intermedios. 4.1

Proyecto 1 Secuencias lineales cortas.

Este proyecto fue seleccionado debido a que ninguno de los cilindros repite su movimiento en ninguna ocasión, no tienen etapas temporizadas, tampoco es necesario tomar una selección y en ningún momento los cilindros se detienen en algún punto de su carrera. Se le considera una secuencia corta debido a que tiene pocos cilindros, debido a la investigación de las secuencias electroneumáticas se consideró a criterio propio que las secuencias lineales cortas serán aquellas que cuenten con tres o menos cilindros, a diferencia de las secuencias lineales largas serán los proyectos en los que se tengan cuatro o más cilindros neumáticos. A continuación se explicará el funcionamiento del proyecto electroneumático, el cual cuenta con tres cilindros neumáticos, para conocer los movimientos de los cilindros y las acciones que realizan para la ejemplificación de un tipo de secuencia lineal corta. o Moldeado de platos de plástico. Unos platos de plástico se obtienen partiendo de pellets de material termoplástico. Los pellets son insertados manualmente en la parte inferior del molde. En la figura 4.1-1 se observa el esquema físico del dispositivo.

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Figura 4.1-1. Esquema físico del dispositivo moldeador de platos. Cuando se pulsa el botón de marcha, la parte superior del molde desciende para unirse con la parte inferior, mediante el avance del cilindro (A). Cuando se alcanza la posición delantera, debe mantenerse la presión durante 10seg para garantizar el endurecimiento del plato formado. A continuación el plato es extraído del molde mediante un manipulador que hace avanzar a un cilindro (B), posteriormente un cilindro (C) baja para tomar el plato formado mediante un ventosa, y sube para que el cilindro (B) regrese y el plato pueda ser extraído manualmente. En la figura 4.1-2 se muestra la ecuación de movimientos de los cilindros que componen el dispositivo. /A+/A-/B+/C+/C-/B-/ Figura 4.1-2. Ecuación de movimientos. Esta secuencia es del tipo lineal corta, debido a que cada cilindro únicamente ejecuta un movimiento de avance y uno de regreso, por lo tanto se le considera lineal, y por el número de cilindros se le considera corta. Ver figura 4.1-3 para conocer los movimientos de los cilindros según el diagrama de estado del proceso.

Figura 4.1-3. Diagrama de estado.

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Para este ejercicio se requiere del control de tres cilindros neumáticos de doble efecto, controlados por electroválvulas biestables 5/2, cada cilindro cuenta con dos válvulas estranguladoras para el control de la velocidad de expulsión y retracción del cilindro, también cuentan con dos detectores final de carrera cada uno en los extremos del cilindro y finalmente de la alimentación de aire comprimido. En la figura 4.1-4 se tiene el diseño del diagrama de fuerza simulado con el software FluidSim.

Figura 4.1-4. Diagrama de fuerza de los cilindros en FluidSim de izquierda a derecha A, B y C. En la tabla 4-1 se tiene la relación de las entradas y salidas necesarias para el diseño del programa del controlador lógico programable. Entradas Salidas Botón INI. I0.6 VA1 Q4.0 A0 I0.1 VA0 Q4.1 A1 I0.1 VB1 Q4.2 B0 I0.2 VB0 Q4.3 B1 I0.3 VC1 Q4.4 C0 I0.4 VC0 Q4.5 C1 I0.5 Tabla 4-1. Entradas y salidas del proceso. A continuación se presentan los tres programas en los diferentes métodos de diseño para la solución de la secuencia electroneumática del dispositivo de moldeado de platos plásticos y se compararán los programas para poder definir el método más sencillo para programar y el lenguaje de programación empleado. 1) Método cascada. A continuación en la figura 4.1-5 se muestra la solución en PLC utilizando el lenguaje KOP con el método cascada para el dispositivo de moldeado de platos plásticos.

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Figura 4.1-5. Programa de PLC lenguaje KOP método cascada. En la figura 4.1-6 se tiene la integración de softwares mediante el servidor OPC empleando el método cascada para el diseño del programa de PLC usando el lenguaje KOP.

Figura 4.1-6. Ejercicio integrado con método cascada. 2) Método paso a paso. En la figura 4.1-7 se tiene el diseño del programa usando el método paso a paso para el controlador lógico programable de Siemens S7-300 con el lenguaje KOP, para dar solución a la secuencia del dispositivo de moldeado de platos plásticos, para después comunicarlo vía OPC con el FluidSim.

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Figura 4.1-7. Programa de PLC lenguaje KOP método paso a paso. A continuación en la figura 4.1-8 se muestra la integración del STEP 7 y el FluidSim utilizando el método de diseño paso a paso con el lenguaje KOP.

Figura 4.1-8. Ejercicio integrado con método paso a paso.

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3) Método Grafcet. A continuación en la figura 4.1-9 se muestra la solución utilizando la metodología de Grafcet como método de diseño y como lenguaje de programación utilizando el S7-GRAPH de Siemens para el controlador lógico programable S7-300.

Figura 4.1-9. Programa en lenguaje de Grafcet. En la figura 4.1-10 se observa la integración de software para la simulación del proyecto número 1 el dispositivo del moldeado de platos plásticos utilizando el S7-GRAPH para el uso del Grafcet como método de diseño y como lenguaje de programación, para dar solución a la secuencia electroneumática y verificar el correcto funcionamiento del proyecto empleando la simulación dentro del Festo FluidSim integrado con el STEP 7 y sus aplicaciones PLCSim y el S7-GRAPH integrados mediante un servidor OPC siguiendo el desarrollo de la metodología de integración de software especializado de simulación y

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programación del capítulo anterior.

Figura 4.1-10. Ejercicio integrado con metodología de Grafcet. Ahora en la tabla 4-2 se muestra la comparación entre los dispositivos utilizados para la realización de cada programa según cada método de diseño. Elementos Cascada Paso a paso Grafcet Bits de entradas 7 7 7 Bits de saldas 6 6 6 Bits de marcas 3 0 1 Contactos abiertos 18 18 10 Contactos cerrados 3 6 0 Bobinas 9 6 0 Líneas de programa 9 6 7 Espacio utilizado 512Kb 511Kb 712Kb Tabla 4-2. Comparación de métodos de diseño. Se puede observar en la tabla 4-2 que el método paso a paso cuenta con menos líneas de programa y no emplea bits de marcas en comparación con el método cascada y el método de Grafcet, además de no requerir más pasos para la configuración del proyecto para el uso del lenguaje KOP. Los tipos de secuencias cortas lineales, resultan diseños sencillos, y no muy extensos, para cualquiera de los métodos de diseño, por lo que el método paso a paso con el lenguaje KOP seria idóneo utilizar para la solución de estos tipos de secuencias que emplean pocos cilindros, ya que el método de Grafcet aunque resulta ser una buena herramienta de diseño y de fácil programación, requiere de más software, y en especial, requiere de más pasos para poder desarrollar una óptima simulación del proceso electroneumático por lo que resulta un método y un leguaje sobrado para las secuencias lineales cortas.

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4.2

Proyecto 2 Secuencias lineales largas.

Esta secuencia se considera lineal larga debido a que emplea cuatro cilindros de doble efecto y ninguno de ellos repite algún movimientos o se detiene a la mitad de su carrera, además de no contar con etapas temporizadas, movimientos simultáneos o alguna selección. o Taladrado y pulido de piezas para bisagras.

Figura 4.2-1. Diagrama físico. Las piezas para bisagras se colocan manualmente en su soporte y al accionar el botón pulsador de arranque, las piezas son sujetadas por el cilindro (A). El cilindro (B) baja para taladrar la pieza. Una vez que el cilindro (B) ha regresado a su posición inicial, el cilindro transportador (C) lleva el carro a la parte de pulir. El cilindro (D) pule el barreno en la pieza. El cilindro (D) regresa, después el cilindro (C) regresa el carro a la primera estación y por último el cilindro (A) afloja la pieza para su extracción. En la figura 4.2-1 se tiene el esquema físico del proceso de taladrado y pulido de piezas. Para tener una mejor comprensión sobre los movimientos de la secuencia electroneumática se presenta en la figura 4.2-2 la ecuación de movimientos del dispositivo de taladrado y pulido de piezas para bisagras.

/A+/B+/B-/C+/D+/D-/C-/A-/ Figura 4.2-2. Ecuación de movimientos. Esta secuencia se le considera lineal debido a que cada cilindro efectúa un solo movimiento de avance y uno de regreso, con el diagrama de estado en la figura 4.2-3 se puede observar que los movimientos de taladrado y pulido serán a una velocidad menor que los demás cilindros.

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Figura 4.2-3. Diagrama de estado. Para este proceso se necesitan cuatro cilindros de doble efecto, controlados por válvulas biestables 5/2, para el avance de los cilindros B y C, se deben regular el aire de alimentación para retardar su movimiento de expulsión mediante el uso de válvulas estranguladoras. En la figura 4.2-4 se muestra el diagrama del circuito de fuerza en FluidSim.

Figura 4.2-4. Diagrama de fuerza del proceso. A continuación en la tabla 4-3 se presentan las entradas y salidas del proceso para el diseño del programa del PLC. Entradas Salidas A0 I0.0 VA1 Q4.0 A1 I0.1 VA0 Q4.1 B0 I0.2 VB1 Q4.2 B1 I0.3 VB0 Q4.3 C0 I0.4 VC1 Q4.4 C1 I0.5 VC0 Q4.5 D0 I0.6 VD1 Q4.6 D1 I0.7 VD0 Q4.7 BA I1.0 Tabla 4-3. Entradas y salidas del proceso. A continuación se presentan los tres diseños de programas para el controlador lógico

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programable S7-300 empleando las tres metodologías de diseño para secuencias electroneumáticas. 1) Método cascada. A continuación se muestra en la figura 4.2-5 la solución en programa para PLC con el lenguaje KOP y diseñado con el método cascada para la secuencia electroneumática de taladrado y pulido de piezas para bisagra.

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Figura 4.2-5. Programa de PLC lenguaje KOP método cascada. En la figura 4.2-6 se tiene la integración de software mediante OPC utilizando el método cascada para el diseño de la secuencia electroneumática utilizando el controlador lógico programable S7-300 de Siemens.

Figura 4.2-6. Integración con el método cascada. 2) Método paso a paso. Ahora se presenta en la figura 4.2-7 la solución para la secuencia electroneumática del dispositivo de taladrado y pulido de piezas diseñado con el método paso a paso y programado con el lenguaje KOP.

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Figura 4.2-7. Programa en método paso a paso. En la figura 4.2-8 se tiene la integración de software para la simulación de la secuencia electroneumática empleando el programa anterior usando el diseño en método paso a paso.

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Figura 4.2-8. Integración con método paso a paso. 3) Método Grafcet. A continuación en la figura 4.2-9 se muestra el programa para la solución de la secuencia electroneumática utilizando el S7-GRAPH para el uso del Grafcet como método de diseño y como lenguaje de programación.

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Figura 4.2-9. Programa en lenguaje Grafcet para la secuencia. Empleando el programa anterior se presenta en la figura 4.2-10, con la simulación del proceso electroneumático utilizando el software S7-GRAPH el simulador PLCSim y el FluidSim conectado mediante un servidor OPC.

Figura 4.2-10. Integración utilizando el Grafcet como método de diseño. En la tabla 4-4 se tiene una comparación entre los métodos de diseño con los elementos que se emplearon para realizar cada programa. Elementos Bits de entradas Bits de saldas Bits de marcas Contactos abiertos Contactos cerrados Bobinas

Cascada 9 8 3 22 3 11

Paso a paso 9 8 0 24 8 8

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Grafcet 9 8 1 10 0 0

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Líneas de programa 11 8 9 Tamaño del programa 513Kb 513Kb 714Kb Tabla 4-4. Comparación entre los métodos de diseño. Como se puede notar en la tabla 4-4 el método paso a paso no utiliza bits de marcas de memoria y usa menos líneas de programa que los métodos cascada y Grafcet, además usa menos bobinas que el método cascada debido a que no necesita las bobinas de los grupos. Para el diseño de secuencias electroneumáticas lineales largas es recomendable el uso del método paso a paso programado con el lenguaje KOP, ya que emplea menos líneas de programa y no requiere de software extra para la solución de procesos gobernados por PLC. 4.3

Proyecto 3 Secuencia con repetición de movimientos.

Este tipo de secuencias son consideradas debido a que al menos uno de los cilindros repite por lo menos una sola ves su movimiento de expulsión y de retracción. o

Inserción de piezas.

Un manipulador de tres ejes es utilizado para la inserción de piezas desde una posición a otras dos posiciones diferentes en una caja de engranajes. La posición de partida debe ser la posición 1, en donde la pinza está levantada (eje Z) y no hay sujeción. Cuando se presiona el botón pulsador de inicio se alcanza la posición 2 y se toma una pieza del alimentador para después depositarla en la posición 3. A continuación, se toma otra pieza del alimentador en la posición 2 y se deposita en la posición 4. Después se regresa a la posición inicial. En la figura 4.3-1 se observa el esquema físico visto desde arriba del manipulador.

Figura 4.3-1. Esquema físico del manipulador. Para tener una idea clara sobre los movimientos ejercidos por cada cilindro se presenta en la figura 4.3-2 la ecuación de movimientos del manipulador. /B-/C+/C-/A-/C+/C-/A+/C+/C-/B+A-/C+/C-/A+/ Figura 4.3-2. Ecuación de movimientos.

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Esta secuencia presenta la repetición de movimientos de los cilindro A y C, como se puede observar en la figura 4.3-3 el cilindro A realiza en dos ocasiones el movimiento de expulsión y de retracción, mientras que el cilindro C lo realiza en cuatro ocasiones diferente.

Figura 4.3-3. Diagrama de estado del proceso. Para la simulación del circuito de fuerza fue necesario emplear tres cilindros de doble efecto, cada uno con dos válvulas estranguladoras, controlados cada uno por una electroválvula biestable 5/2 y la alimentación de aire comprimido. En la figura 4.3-4 se tiene el circuito en el software FluidSim.

Figura 4.3-4. Circuito de fuerza del manipulador. A continuación se presenta la tabla 4-5 con la relación de entradas y salidas del proceso para el control mediante PLC. Entradas Salidas A0 I0.0 VA1 Q4.0 A1 I0.1 VA0 Q4.1 B0 I0.2 VB1 Q4.2 B1 I0.3 VB0 Q4.3 K0 I0.4 VC1 Q4.4 K1 I0.5 VC0 Q4.5 Botón de marcha I0.6 Tabla 4-5. Entradas y salidas del proceso.

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1) Método cascada. A continuación en la figura 4.3-5 se presenta la solución propuesta para el control del manipulador utilizando el método cascada y el lenguaje de programación KOP.

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Figura 4.3-5. Programa de PLC usando método cascada. Con esta solución se integró y se comprobó su funcionamiento mediante la simulación con STEP 7 y FluidSim como se observa en la figura 4.3-6.

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Figura 4.3-6. Integración con método cascada para el manipulador. 2) Método paso a paso. Para la figura 4.3-7 se presenta la solución de la secuencia del manipulador de inserción de piezas empleando el método paso a paso para el diseño de la secuencia electroneumática.

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Figura 4.3-7. Programa para PLC usando método paso a paso. En la figura 4.3-8 se muestra la integración de FluidSim, STEP 7 y PLCSim mediante el servidor OPC utilizando la solución del programa diseñado con el método paso a paso para verificar el correcto funcionamiento de la secuencia electroneumática.

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Figura 4.3-8. Integración usando el método paso a paso. 3) Método de Grafcet. En la figura 4.3-9 se muestra el programa diseñado con la metodología de Grafcet en el software S7-GRAPH de Siemens para la solución del proceso electroneumático de inserción de piezas.

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Figura 4.3-9. Programa con Grafcet. A continuación en la figura 4.3-10 se muestra la pantalla con los softwares de simulación y programación STEP 7, PLCSim, S7-GRAPH y FluidSim conectados mediante el servidor OPC para verificar el correcto funcionamiento dentro de un ambiente virtual de la solución propuesta con el Grafcet para la secuencia electroneumática del manipulador de inserción de piezas.

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Figura 4.3-10. Integración con Grafcet. En la tabla 4-6 se presenta una comparación de los dispositivos utilizados para el diseño de los tres programas para dar solución a la secuencia de inserción de piezas. Elementos Cascada Paso a paso Grafcet Bits de entradas 7 7 7 Bits de salidas 6 6 6 Bits de marcas 20 12 1 Contactos abiertos 55 53 16 Contactos cerrados 8 13 0 Bobinas 26 18 0 Líneas de programa 25 18 14 Tamaño del programa 535Kb 528Kb 717Kb Tabla 4-6. Comparación entre métodos. Como se puede observar en la tabla 4-6 el diseño mediante la metodología de Grafcet representa un programa con menor cantidad de elementos en comparación con los métodos cascada y paso a paso, tiene menos líneas de programa, no utiliza contactos cerrados ni bobinas, usa mucho menos de la mitad de contactos abiertos que el método cascada o paso a paso y únicamente utiliza 1 bit de marca, además de tener un correcto funcionamiento y cumplir con los movimientos de la secuencia electroneumático dentro de un ambiente virtual. 4.4

Proyecto 4 Secuencia con movimientos simultáneos.

Este tipo de secuencias se consideran de movimientos simultáneos debido a que dos o más cilindros se encuentran en movimiento dentro de una misma etapa, no es necesario que se muevan en la misma dirección o con la misma velocidad. o Desplazamiento de piezas cilíndricas.

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Unas piezas cilíndricas deben ser distribuidas regularmente desde un canal de entrada hacia dos canales de salida. En la figura 4.4-1 se muestra el esquema físico del dispositivo a controlar.

Figura 4.4-1. Diagrama físico. Se debe pulsar un botón de inicio de ciclo, el manipulador baja el elemento de sujeción por medio del cilindro (B), el cilindro (A) avanza para sujetar la pieza, el manipulador sube la pieza, por medio del cilindro (D) el manipulador se desplaza hacia los canales de salida, al llegar al primer canal el cilindro (A) regresa y libera la pieza, el cilindro (D) hace regresar el manipulado al canal de entrada, y vuelve a tomar otra pieza, esta vez cuando el manipulador se esté desplazando el cilindro (C) avanzara para lograr que el manipulador tenga más alcance y llegue a dejar la pieza al segundo canal de salida, finalmente los cilindros (C) y (D) regresan a su posición original simultáneamente. En la figura 4.4-2 se muestra la ecuación de movimientos de la secuencia electroneumática. /B+/A+/B-/D+/A-/D-/B+/A+/B-/D+C+/A-/D-C-/ Figura 4.4-2. Ecuación de movimientos. Esta secuencia cuenta con movimientos repetitivos de los cilindros A, B y D cada uno repite su movimiento de expulsión y retracción en diferentes momentos de la secuencia, y el cilindro C en los últimos tres movimientos ejerce los mismos movimientos y al mismo tiempo que el cilindro D. En la figura 4.4-3 se muestra el diagrama de estado de la secuencia para una mejor comprensión del proceso.

Figura 4.4-3. Diagrama de estado.

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Esta secuencia cuenta con cuatro cilindros de doble efecto controlados por electroválvulas biestables. La secuencia cuenta con repetición de movimientos de los cilindros A, B y D, también cuenta con el movimiento simultaneo de los cilindros D y C. En la figura 4.4-4 se puede observar el circuito de fuerza para el dispositivo de desplazamiento de piezas cilíndricas diseñado en el software FluidSim.

Figura 4.4-4. Diagrama de fuerza. A continuación se presenta en la tabla 4-7 la relación de entradas y salidas del proceso para un controlador lógico programable de Siemens. Entradas Salidas A0 I0.0 VA1 Q4.0 A1 I0.1 VA0 Q4.1 B0 I0.2 VB1 Q4.2 B1 I0.3 VB0 Q4.3 C0 I0.4 VC1 Q4.4 C1 I0.5 VC0 Q4.5 D0 I0.6 VD1 Q4.6 D1 I0.7 VD0 Q4.7 BA I1.0 Tabla 4-7. Entradas y salidas del proceso. A continuación se presentan las solución propuestas para la secuencia electroneumática del proyecto del dispositivo para desplazamiento de piezas cilíndricas empleando los métodos cascada, paso a paso y Grafcet para el diseño del programa de control por PLC para el proyecto. 1) Método cascada. En la figura 4.4-5 se presenta el programa para PLC S7-300 correspondiente a la solución de la secuencia electroneumática del dispositivo de desplazamiento de piezas cilíndricas, diseñado con el método cascada y realizado con el lenguaje de programación KOP.

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Figura 4.4-5. Programa para PLC usando el método cascada. En la figura 4.4-6 se presenta la integración de softwares especializados de programación y simulación mediante servidor OPC para la comprobación del correcto funcionamiento de la secuencia electroneumática empleando la solución en método cascada y programado con el lenguaje KOP.

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Figura 4.4-6. Integración usando método cascada. 2) Método paso a paso. A continuación en la figura 4.4-7 se muestra la solución de la secuencia empleando el método paso a paso para el diseño del programa para un controlador lógico programable S7-300 de siemens, el lenguaje que se utilizo es el KOP, este método aunque por lo regular puede utilizarse para cada paso la salida en este debido a que la secuencia tiene movimientos repetitivos se requerirá de usar marcas de memoria y después activar las salidas.

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Figura 4.4-7. Programa en PLC lenguaje KOP método paso a paso. En la figura 4.4-8 se puede observar la integración del STEP 7, PLCSim y FluidSim mediante el servidor OPC para comprobar el buen funcionamiento del proceso dentro de un ambiente virtual.

Figura 4.4-8. Pantalla de integración empleando el método paso a paso. 3) Método de Grafcet. En la figura 4.4-9 se muestra la solución del proceso empleando la metodología de Grafcet como lenguaje de programación para un controlador lógico programable S7-300 de siemens a través de su software S7-GRAPH.

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Figura 4.4-9. Programa para PLC usando lenguaje GRAPH. En la figura 4.4-10 se puede observar la integración de los softwares especializados de simulación y programación para la verificación del buen funcionamiento de la secuencia dentro de un ambiente virtual y empleando el Grafcet como método de diseño y lenguaje de programación.

Figura 4.4-10. Pantalla de integración empleado Grafcet. En la tabla 4-8 se puede observar una comparación de los tres métodos según la cantidad de elementos empleados para la creación de los tres programas con los que se dio solución a la secuencia electroneumático del dispositivo de desplazamiento de piezas cilíndricas. Elementos Bits de entradas Bits de salidas Bits de marcas Contactos abiertos Contactos cerrados Bobinas Líneas de programa

Cascada 9 8 17 49 6 25 25

Paso a paso 9 8 12 51 13 20 20

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Grafcet 9 8 1 16 0 0 15

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Tamaño del programa 532Kb 530Kb 718Kb Tabla 4-8. Comparación de elementos para cada programa. Se puede observar mediante la tabla 4-8 que el programa diseñado con la metodología de Grafcet y programado con el software S7-GRAPH de Siemens resulto ser mucho más sencillo tanto para su programación como en la cantidad de elementos que se tuvieron que emplear para la programación, ya que emplea menos líneas de programa y menos de la mitad de contactos abiertos en comparación con los otros dos métodos, además de no utilizar bobinas ni contactos cerrados. 4.5

Proyecto 5 Secuencia con etapas temporizadas.

Estos tipos de secuencia electroneumáticas se consideran debido a que deben esperar un tiempo determinado entre movimientos. o Dispositivo de llenado de piedras de ignición. En una tolva hay piedras de ignición que deben ser distribuidas en dos puestos de montaje a un ritmo determinado, para esto se emplea el dispositivo de la figura 4.5-1.

Figura 4.5-1. Esquema físico del dispositivo. Al pulsar el botón de inicio, el cilindro (A) abre la compuerta del depósito, las piedras caen al depósito de la cinta 1. Al cerrar la tolva el cilindro (B) lleva el deposito a la cinta 2, donde el cilindro (A) vuelve a abrir la tolva para llenar el depósito y cerrar, posteriormente el cilindro (B) regresa a su posición original. En la figura 4.5-2 se tiene la ecuación de movimientos de la secuencia planteada.

/A-/T1/A+/B+/A-/T2/A+/B-/ Figura 4.5-2. Ecuación de movimientos.

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El cilindro (A) debe ser normalmente expulsado, debido a que está conectado a la compuerta de la tolva ver la figura 200. Esta secuencia contiene dos etapas temporizadas (Etapas de llenado), además el cilindro A repite su movimiento de entrada y salida. Para una mejor comprensión de la secuencia se presenta el diagrama de estado del dispositivo en la figura 4.5-3.

Figura 4.5-3. Diagrama de estado del dispositivo. Para la simulación del circuito de fuerza se requiere de dos cilindros de doble efecto con sus válvulas estranguladoras, sus detectores final de carrera uno en cada extremo del cilindro, una electroválvula biestable 5/2 para cada cilindro y la alimentación de aire comprimido como se puede ver en la figura 4.5-4 el circuito diseñado en el FluidSim.

Figura 4.5-4. Circuito de fuerza. En la tabla 4-9 se tiene la relación de entradas y salidas del proceso para el control mediante un PLC S7-300 de siemens. Entradas Salidas BA I0.0 VA1 Q4.0 A0 I0.1 VA0 Q4.1 A1 I0.2 VB1 Q4.2 B0 I0.3 VB0 Q4.3 B1 I0.4 Tabla 4-9. Entradas y salidas. 1) Método cascada. Se muestra en la figura 4.5-5 el programa de PLC en lenguaje KOP para el diseño con el método cascada.

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Figura 4.5-5. Programa para PLC empleando el método cascada.

Figura 4.5-6. Integración empleando el método en cascada. En la figura 4.5-6 se puede observar la integración de los softwares para la verificación del correcto funcionamiento del diseño de la secuencia electroneumática en un ambiente virtual.

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2) Método paso a paso. En la figura 4.5-7 se muestra el programa para dar solución a la secuencia electroneumática usando el método paso a paso como método de diseño.

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Figura 4.5-7. Programa en PLC usando método paso a paso. A continuación se presenta la figura 4.5-8, donde se puede ver la integración de los softwares FluidSim y STEP 7 para la verificación del funcionamiento óptimo de la secuencia propuesta dentro de una simulación en un entorno virtual, empleando un controlador lógico programable S7-300 y el método de diseño paso a paso para dar solución a los movimientos de la secuencia electroneumática.

Figura 4.5-8. Integración usando el método paso a paso.

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3) Método de Grafcet. En la figura 4.5-9 se observa el programa para la solución de la secuencia electroneumática empleando como método de diseño y lenguaje de programación el Grafcet.

Figura 4.5-9. Programa para PLC usando S7-GRAPH. En la figura 4.5-10 se tiene la pantalla de la integración de los softwares especializados de simulación y programación FluidSim y STEP 7 con el PLCSim y el S7-GRAPH, para desarrollar un ambiente virtual para la simulación de la secuencia electroneumática del

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dispositivo de llenado de piedras de ignición utilizando la metodología del Grafcet como método de diseño y lenguaje de programación.

Figura 4.5-10. Integración usando metodología de Grafcet. A continuación en la tabla 4-10 se presenta una comparación de los programas diseñados con los diferentes métodos según los elementos empleados para realizar cada programa. Elementos Cascada Paso a paso Grafcet Bits de entradas 5 5 5 Bits de salidas 4 4 4 Bits de marca 8 6 1 Temporizadores 2 2 2 Contactos abiertos 28 28 7 Contactos cerrados 4 8 0 Bobinas 12 10 0 Líneas de programa 14 10 8 Tamaño del programa 515Kb 513Kb 711Kb Tabla 4-10. Comparación de los métodos. Como se puede observar en la tabla 4-10 el método de Grafcet resulta ser el más sencillo de utilizar debido a que emplea menos elementos para realizar el programa de control de la secuencia electroneumática gobernada por un PLC S7-300. Para este tipo de secuencias el Grafcet ofrece tres formas diferentes de realizar las etapas temporizadas, por lo que da al usuario más herramientas para el diseño de las secuencias, mientras que en los métodos paso a paso y cascada se requiere del uso de un temporizador, direccionarlo y usar sus contactos como los permisivos para el desarrollo de la secuencia a solucionar. 4.6

Proyecto 6 Secuencia con función selectiva.

Estas secuencias se les llaman de función selectiva, ya que se debe tomar una decisión para

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saber que movimientos se deben ejercer para cumplir con los requerimientos del dispositivo de control. o Pesado de recipientes. Se cuenta de un dispositivo de pesado de recipientes cilíndricos, que separa los recipientes que se encuentren con un peso fuera del establecido de los que si cumplan con esta norma. En la figura 4.6-1 se tiene esquema físico del dispositivo.

Figura 4.6-1. Diagrama físico. El cilindro (A) empuja el recipiente a una báscula, a continuación el cilindro (B) libera la báscula mientras el cilindro (A) regresa, después de un tiempo de 5seg el cilindro (B) bloquea la báscula. Si el recipiente se halla dentro de la tolerancia de peso, censada por el interruptor S4, el cilindro (C) empuja el recipiente de nuevo a la cinta transportadora, pero si el recipiente se encuentra fuera de tolerancia, el cilindro (D) manda el recipiente a un contenedor. En la figura 4.6-2 se muestra la ecuación de movimientos de la secuencia para complementar el texto.

Figura 4.6-2. Ecuación de movimientos. El sensor S4 debe simularse por medio de un interruptor pulsador. Esta secuencia cuenta con el movimiento simultáneo de los cilindros A y B y la función de selección al momento del pesado de los recipientes, donde si el peso es correcto el cilindro C debe regresar el recipiente a la banda, pero si el peso no está en tolerancia el cilindro D debe sacar el recipiente. Con el diagrama de estado de la figura 4.6-3 se podrán visualizar mejor las características del proceso.

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Figura 4.6-3. Diagrama de estado para el Pesado de recipientes. Para este proceso se emplean 4 cilindros neumáticos de doble efecto, con sus válvulas estranguladoras para la variación de la velocidad de los movimientos, dos detectores final de carrera para cada cilindro colocados cada uno en los extremos de los cilindros, cada cilindro será gobernado por una electroválvula biestable 5/2. En la figura 4.6-4 se tiene el circuito de fuerza diseñado con el FluidSim para la simulación de la secuencia con un controlador lógico programable S7-300.

Figura 4.6-4. Circuito de fuerza para la secuencia. A continuación en la tabla 4-11 se tiene la relación de entradas y salidas utilizadas para el proceso controlado por el PLC S7-300 de Siemens. Entradas A1 I0.0 A0 I0.1 B1 I0.2 B0 I0.3 C1 I0.4 C0 I0.5 D1 I0.6 D0 I0.7

Salidas VA1 Q4.0 VA0 Q4.1 VB1 Q4.2 VB0 Q4.3 VC1 Q4.4 VC0 Q4.5 VD1 Q4.6 VD0 Q4.7

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S5 I1.0 S4 I1.1 Tabla 4-11. Entradas y salidas del proceso. 1) Método cascada. A continuación en la figura 4.6-5 se presenta el programa en lenguaje KOP diseñado con el método cascada para la solución del proceso electroneumático del dispositivo de pesado de recipientes.

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Figura 4.6-5. Programa de PLC utilizando método cascada. En la figura 4.6-6 se puede visualizar la integración de software STEP 7 y FluidSim para verificar el correcto funcionamiento del proceso electroneumático empleando el programa diseñado con el método cascada.

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Figura 4.6-6. Integración usando método cascada. 2) Método paso a paso. En la figura 4.6-7 se presenta la solución de la secuencia electroneumática para el dispositivo de pesado de recipientes empleando el método de diseño paso a paso, y programado con el lenguaje del STEP 7 KOP, para un controlador lógico programable S7-300 de Siemens comunicado mediante un servidor OPC al software de simulación FluidSim.

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Figura 4.6-7. Programa de PLC diseñado en método paso a paso. En la figura 4.6-8 se puede observar la pantalla de integración de los softwares especializado FluidSim y STEP 7 comunicados vía OPC para el monitoreo dentro de un ambiente virtual del funcionamiento de la solución de la secuencia electroneumática empleando el método paso a paso.

Figura 4.6-8. Integración con el método paso a paso.

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3) Método de Grafcet. En la figura 4.6-9 se puede visualizar la solución para la secuencia electroneumática controlada mediante un PLC S7-300 de Siemens usando la metodología de Grafcet como método de diseño y lenguaje de programación por medio del software de STEP 7 el S7-GRAPH.

Figura 4.6-9. Programa en lenguaje GRAPH. En la figura 4.6-10 se pues observar la integración de los softwares FluidSim y STEP 7 con el PLCSim y el S7-GRAPH mediante un servidor OPC para la verificación del buen

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funcionamiento de la secuencia electroneumática en un ambiente virtual empleando el Grafcet como lenguaje de programación y método de diseño.

Figura 216. Pantalla de integración empleando la metodología de Grafcet. A continuación se presenta una comparación en la tabla 4-12 entre las tres soluciones propuestas con los métodos de diseño, según los elementos empleados para el desarrollo de los programas del controlador lógico programable S7-300 de Siemens. Elementos Cascada Paso a paso Grafcet Bits de entradas 10 10 10 Bits de salidas 8 8 8 Bits de marcas 7 1 1 Contactos abiertos 34 24 12 Contactos cerrados 11 13 1 Bobinas 15 9 0 Líneas de programa 14 8 9 Tamaño del programa 520Kb 514Kb 716Kb Tabla 4-12. Comparación de métodos. Como se puede observar en la tabla 4-12 el Grafcet ocupo menos líneas de programa que el método cascada, la mitad de los contactos abiertos que el método paso a paso, así como menor cantidad de contactos cerrados que los métodos cascada y paso a paso y no empleo bobinas. Para este tipo de secuencias se ha observado que el método cascada al momento de llegar a la selección de una de las opciones, deja de cumplir con el procedimiento marcado para el diseño empleando este método, ya que se tiene que recurrir a realizar dentro de algún grupo de movimientos otros grupos para poder asegurar el correcto funcionamiento de la secuencia con función selectiva.

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4.7

Proyecto 7 Secuencia con posición intermedia.

Estas secuencias se les determinan de posiciones intermedias debido a que alguno de sus cilindros se detiene a la mitad de su carrera y posteriormente reanuda su carrera según las necesidades de la secuencia. o Grúa neumática.

Figura 4.7-1. Diagrama físico. Este dispositivo consiste en dos cilindros neumáticos, el cilindro (A) debe ser normalmente expulsado. Al accionar el Botón pulsador de arranque el cilindro (A) se retrae, al llegar a la parte superior el Cilindro (B) es expulsado hasta la mitad de su carrera, en esa posición el Cilindro (A) vuelve a bajar y subir, para recoger algún objeto, ya que regresa a la parte superior el cilindro (B) retoma su avance, al llegar a la parte final, el cilindro (A) volverá a bajar, en la parte inferior esperara un tiempo de 10seg y pasado el tiempo, podrá volver a subir, llegando a la parte superior el cilindro (B) regresara, esta vez sin detenerse, al llegar a su posición inicial, el cilindro (A) será expulsado nuevamente hasta volverá a accionar el ciclo. En la figura 4.7-1 se tiene el diagrama físico de la gura para observar su posición inicial. En la figura 4.7-2 se muestra la ecuación de movimientos de la secuencia requerida para la grúa. /A-/B+/A+/A-/B+/A+/T1/A-/B-/A+/ Figura 4.7-2. Ecuación de movimientos. Debido a que esta secuencia presenta un movimiento intermedio de uno de sus cilindros, se debe observar el diagrama de estado de la secuencia en la figura 4.7-3, también se presenta una etapa temporizada y la repetición del movimiento de expulsión y retracción del cilindro A.

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Figura 4.7-3. Diagrama de estado para la grúa neumática. Para este proceso se emplean dos cilindros de doble efecto, pero para el cilindro B es necesaria una electroválvula 5/3 biestable, con retornos por muelle, mientras que el cilindro A puede ser una válvula biestable 5/2, esto es, por que la secuencia del cilindro B tiene una posición intermedia, es decir, el cilindro B debe detenerse a la mitad de su carrera, mientras el cilindro A efectúa otras acciones. También cuenta con una etapa temporizada de 10 segundos de duración. En la figura 4.7-4 se tiene el diseño en FluidSim del circuito de fuerza para el proceso de la grúa.

Figura 4.7-4. Circuito neumático de la grúa. A continuación en la tabla 4-13 se presenta la relación de entradas y salidas para el control por medio de PLC de la secuencia electroneumática de la grúa. Entradas BA I0.0 A0 I0.1 A1 I0.2 B0 I0.3 B1 I0.4 B2 I0.5 Tabla 4-13. Entradas y

Salidas VA1 Q4.0 VA0 Q4.1 VB1 Q4.2 VB0 Q4.3

salidas del proceso.

1) Método cascada. A continuación en la figura 4.7-5 se presenta la solución del programa de control por PLC usando el lenguaje KOP y diseñado con el método cascada para la secuencia electroneumática.

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Figura 4.7-5. Programa para PLC utilizando el método cascada. A continuación se presenta en la figura 4.7-6 la pantalla de la integración de software especializado de simulación y de programación Festo FluidSim, PLCSim y STEP 7 comunicados mediante el servidor EzOPC para la simulación del proceso electroneumático de la grúa neumática, gobernado por un controlador lógico programable S7-300 de Siemens para corroborar el correcto funcionamiento de la secuencia de la grúa neumática en un ambiente completamente virtual, esta solución del diseño del programa fue empleando el método cascada y utilizando el lenguaje de programación de Siemens KOP para tener el control del proceso electroneumático.

Figura 4.7-6. Integración con método cascada. 2) Método paso a paso. En la siguiente figura 4.7-7, se presenta la solución para la secuencia electroneumática para la grúa empleando el método paso a paso y el lenguaje KOP de programación.

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Figura 4.7-7. Programa para PLC en método paso a paso. Debido a los repetidos accionamientos de las salidas para los solenoides VA1, VA0 y VB1 se necesitaron emplear bits de marca para la activación de sus salidas. A continuación en la figura 4.7-8 se presenta la pantalla de la integración de softwares especializados de simulación y programación FluidSim y STEP 7 con su simulador de PLC el PLCSim, para crear una potente herramienta virtual de simulación integrada mediante un servidor OPC, para la comprobación del correcto funcionamiento de la solución propuesta para la secuencia electroneumática de la grúa según las especificaciones de la ecuación de movimientos, diseñada con el método paso a paso y programada para un controlador lógico programable SIMATIC S7-300 de Siemens empleando el lenguaje KOP para la realización del programa.

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Figura 4.7-8. Integración empleando el método paso a paso. 3) Método de Grafcet. A continuación se presenta en la figura 4.7-9 el programa utilizando el software S7-GRAPH para emplear el Grafcet como lenguaje de programación, para dar solución a la secuencia de la grúa electroneumática.

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Figura 4.7-9. Programa para PLC usando metodología de Grafcet. En la figura 4.7-10 se puede observar la integración de FluidSim y STEP 7 con su simulador PLCSim y el software S7-GRAPH para la programación usando el Grafcet como método de diseño y lenguaje de programación, para formar una herramienta virtual que permite verificar el correcto funcionamiento de la secuencia.

Figura 4.7-10. Integración con S7-GRAPH. En la tabla 4-14 se muestra una comparación de los elementos utilizados para el diseño de cada programa para dar solución a la secuencia electroneumática de la grúa con un controlador lógico programable S7-300 de Siemens, con respecto a cada método de diseño.

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Elementos Cascada Paso a paso Grafcet Bits de entradas 6 6 6 Bits de salidas 4 4 4 Bits de marcas 14 10 1 Temporizadores 1 1 1 Contactos abiertos 42 39 12 Contactos cerrados 6 10 0 Bobinas 19 14 0 Líneas de programa 20 14 10 Tamaño del programa 522Kb 524Kb 710Kb Tabla 4-14. Comparación de métodos. Como se puede visualizar en la comparación de la tabla 4-14 el diseño del programa resulta más cómodo empleando el Grafcet para el diseño y el S7-GRAPH para realizar el programa, ya que para esta secuencia se utilizaron menos elementos para el programa con Grafcet que con los métodos cascada y paso a paso. La metodología de Grafcet resulta ser una óptima herramienta para la solución de secuencias que emplean movimientos intermedios. Un punto muy importante en los tipos de secuencias con movimientos intermedios es el uso de electroválvulas 5/3 con centro cerrados y con retorno en ambos lados por muelle, además del uso de más detectores final de carrera para un solo cilindro y realizar la distribución de los detectores según las necesidades de la secuencia. 4.8 Comparación de los métodos de diseño. En la tabla 4-15 se muestra una comparación de los tres métodos de diseño de secuencias electroneumáticas para cada tipo de secuencia según se han clasificado al inicio del cuarto capítulo. Secuencias

Lineales cortas

Lineales largas

Cascada Este método es recomendable cuando los cilindros no tienen juntos sus movimientos de retracción y expulsión, es decir, no sale y al llegar al final inmediatamente regresa. Este método aunque da solución a las secuencias con el uso de las marcas de memoria resulta un programa con muchas líneas.

Paso a paso

Grafcet

El método paso a paso es el más recomendable para estas secuencias ya que el programa resulta con pocas líneas y da solución a la secuencia.

El Grafcet aunque también resuelve la secuencia resulta no muy viable debido a la necesidad de más software y mayor tamaño de memoria.

Este método es el más viable para la solución de programas ya que da una buena solución, no demanda más software y no requiere de muchos elementos.

De la misma forma que con las secuencias cortas, este método da una buena solución pero requiere más software y mayor tamaño del proyecto.

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Movimientos repetitivos

Movimientos simultáneos

Este método no es muy recomendable porque requiere de muchas marcas de memoria debido a la repetición de señales en las salidas y por lo tanto un programa muy largo y complejo. Para estas secuencias el método puede no complicarse mucho pero puede requerir más marcas de memoria si los movimientos son muchos.

Para este método se requiere del uso de bobinas de timer y de Etapas contactos temporizados temporizadas por lo que requiere de más elementos y más marcas de memoria.

Este método aunque da solución a las secuencias también requiere del uso de marcas de memoria y entre más repeticiones se tengan más largo será el programa.

El Grafcet resulta ser un lenguaje muy eficaz para estos tipos de secuencias ya que no genera señales simultáneas debido a la lógica que emplea el método.

Este método da solución a la secuencia aunque necesitará varias líneas de programa para los movimientos simultáneos.

El diseño con Grafcet resulta muy sencillo debido al uso de la metodología de ramas simultáneas.

También requiere del uso de temporizadores y de contactos por lo tanto resulta un programa más complejo.

Función selectiva

Este tipo de secuencias resultan programas muy complejos y se deja de cumplir la secuencia.

El método genera un programa muy largo y muy complejo además de requerir marcas de memoria.

Movimientos intermedios

El programa requiere de más marcas de memoria y se genera un programa más largo.

Se deben utilizar marcas de memoria en los movimientos intermedios y más elementos para el programa.

La metodología ofrece tres formas diferentes para las etapas temporizadas por que el proyectista puede resolver la secuencia fácilmente y con pocas líneas de programa. Las ramas alternas del Grafcet dan una gran herramienta al proyectista por lo que el diseño del programa se vuelve muy simple y fácil de utilizar. Con la metodología de Grafcet se facilita la programación de estas secuencias debido a la activación y desactivación de las salidas con las etapas.

Tabla 4-15. Comparación de métodos. Como se ha visto dentro de este capítulo el diseño de secuencias electroneumáticas mediante la metodología de Grafcet resulta ser muy sencillo y asegura un funcionamiento óptimo. El software S7-GRAPH de Siemens para programar PLC S7-300 y S7-400 resulta ser una herramienta muy importante para la realización de programas para el control de secuencias electroneumáticas diseñadas con Grafcet y para obtener un buen funcionamiento de la secuencia. El uso de la integración de software de programación y simulación FluidSim y STEP 7 con

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sus aplicaciones PLCSim y S7-GRAPH comunicados a través de un servidor OPC para formar una herramienta de simulación de secuencias electroneumáticas resulta ser una potente herramienta virtual para el diseño y comprobación de la solución propuesta para la secuencia electroneumática. A continuación se presenta una comparación de los métodos.

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CONCLUSIONES La integración de FluidSim de FESTO con STEP7 de Siemens mediante un servidor OPC, representa una óptima herramienta de simulación, para el diseño e implementación de secuencia electroneumáticas dentro de un ambiente virtual, su manejo ofrece ventajas como: el aprendizaje en el control de dispositivos electroneumáticos, conocimiento del manejo y programación de controladores lógicos programables y más específico de las familias S7-300 y S7-400 de Siemens, la capacidad de desarrollar simulaciones de procesos electroneumáticos controlados mediante un PLC para corroborar el correcto funcionamiento del programa diseñado con alguna metodología práctica. El manejo de esta herramienta permite conocer más sobre los alcances y dimensiones de los controladores lógicos programables de siemens, aplicados al control de diferentes tipos de procesos electroneumáticos, así como, el uso de la metodología de Grafcet como lenguaje de programación, a través, del software de siemens S7-GRAPH. El diseño de secuencias electroneumáticas, mediante Grafcet, así como su uso como lenguaje de programación, resulta ser muy eficaz para lograr un programa funcional, seguro y fácil de diseñar, ya que ofrece características que simplifican en gran medida el diseño de programas de control, aplicado al control de secuencias electroneumáticas, y resulta ser para el usuario más cómodo el trabajo con los controladores lógicos programables S7-300 y S7-400, en comparación con otros lenguajes como el KOP, FUP y AWL. Como se podrá observar en la aplicación y análisis de los métodos, entre más larga y más compleja sean las secuencias electroneumáticas, será más viable y recomendable el uso de Grafcet como lenguaje de programación, por sobre el lenguaje en escalera ya sea usando el método paso a paso o el método en cascada, y como se observó en el capítulo tres, no se requieren de paso muy complicados para la configuración y programación usando el Grafcet como lenguaje de programación, el único limitante o inconveniente es contar con un controlador lógico programable y el software que reconozca el Grafcet como lenguaje de programación, pero como se ha explicado dentro de este trabajo los controladores lógicos programables S7-300 y S7-400 de Siemens cuentan con Grafcet como lenguaje de programación, siendo para estos PLC de Siemens el S7-GRAPH su software para programar. Está comparación de métodos y el uso de Grafcet como método de diseño y lenguaje de programación no significa una limitante para la solución de secuencia electroneumáticas, el método dependerá de las herramientas, las habilidades, preferencias y conocimientos del proyectista para la solución de procesos electroneumáticos con un controlador lógico programable S7-300 o S7-400 de Siemens.

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ANEXOS. A continuación se presenta la simbología eléctrica empleada para el diseño de secuencias electroneumáticas que marcan las normas ANSI para el uso de simbología americana y la DIN para la simbología europea. Relevadores:

Temporizador con retardo a la desconexión:

Temporizador con retardo a la conexión:

Solenoide para electroválvula:

Indicador luminoso:

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Contactos:

Contactos temporizados:

Botón pulsador:

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Botón pulsado de dos posiciones:

Botón pulsador de tres posiciones:

Interruptor de posición mecánica:

Interruptor detecto de proximidad:

Interruptor de presión:

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Interruptor térmico:

Contadores:

 Pasar control por relevadores a programa KOP de PLC usando el método cascada. Primero es necesario tener el diseño con el método cascada empleando relevadores, como en la figura A1, para el gobierno de las electroválvulas. Para este ejemplo se utilizará la secuencia A+B+B-A-.

Figura A1. Circuito de control por relevadores. Posteriormente se debe seleccionar las salidas y entradas del controlador lógico programable para cada solenoide, el botón de inicio y los detectores final de carrera. En la figura A2 se puede observar la conexión de entradas y salidas a los puertos de entradas y salidas de FluidSim para el PLC.

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Figura A2. Conexión a los puertos de entradas y salidas. Ahora se deberá identificar cada relevador de control de los grupos de la secuencia electroneumática, ya que en el programa de PLC serán marcas de memoria interna, por lo tanto se debe conectar el botón de inicio en serie a un contacto cerrado de la marca del grupo 2 y a la bobina de marca del grupo 1 y en paralelo a un contacto abierto de la bobina del grupo 1. En la figura A3 se presenta la traducción en PLC de la primera línea.

Figura A3. Primera línea del programa. Ahora se conecta un contacto del grupo1 a la bobina correspondiente a la salida del PLC del solenoide VA1 como se observa en la figura A4.

Figura A4. Segunda línea del programa. Siguiendo con el circuito de control por relevadores será necesario conectar otro contacto del grupo1 pero esta vez tendrá en serie un contacto de la entrada correspondiente al detector final de carrera A1 como se muestra en la figura A5.

Figura A5. Tercera línea del programa. Continuando con el circuito de control por relevadores, se prosigue a conectar otro contacto del grupo1 esta vez estará en seria con el contacto de la entrada del detector B1, a su vez estarán conectados en paralelo a un contacto en clave, y después estarán en serie con un

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contacto cerrado y la bobina del grupo2 de movimientos de una marca de memoria. En la figura A6 se puede observar la configuración del programa correspondiente al circuito de control para el segundo grupo de movimientos de la secuencia.

Figura A6. Cuarta línea del programa. En la figura A7 se podrá observar la línea del programa correspondiente a la activación de la salida para la retracción del cilindro B siguiendo el circuito de control por relevadores.

Figura A7. Quinta línea del programa. En la figura A8 se puede observar la conexión de la última línea del programa correspondiente a la retracción del cilindro A para cumplir con el circuito de control por relevadores.

Figura A8. Sexta línea del programa. Con esta línea finalizamos la traducción del circuito con relevadores a un programa de control para PLC.  Pasar control por relevadores a programa KOP de PLC usando el método paso a paso. Para esta traducción también se empleará la secuencia A+B+B-A-, pero esta vez diseñada con el método paso a paso, de la misma manera se debe tener el diseño del circuito como en la figura A9 con relevadores.

Figura A9. Circuito de control por relevadores.

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Posteriormente se debe realizar la conexión de los detectores, solenoides y el botón de inicio a los puertos de entradas y salidas al PLC. En la figura A10 se tiene la conexión a los puertos.

Figura A10. Conexión de entradas y salidas al PLC. Para comenzar con el programa se debe conectar un contacto de entrada correspondiente al botón de inicio en serie con un contacto cerrado del paso 2 o en este caso de la salida B+, para la activación del primer paso, debido a que las solenoides están conectadas a la salida del PLC puede utilizarse la salida del PLC como bobina de control y de esta manera se evitara el uso de marcas de memoria para el control de los pasos. En la figura A11 se tiene la primera línea del programa.

Figura A11. Primera línea del programa. Posteriormente se realizará la conexión de un contacto de A+ en serie con un contacto de entrada del detector A1 para activar la salida del cilindro B. En la figura A12 se tiene la configuración de la segunda línea del programa para activar la salida del cilindro B.

Figura A12. Segunda línea del programa. Después se debe emplear la misma estructura pero ahora el contacto será de B+ conectado en serie a la entrada del detector B1 y un contacto cerrado de A- para desactivar el paso cuando entre el siguiente y en paralelo a B+ y B1 un contacto de enclave de la bobina B-, para accionar la retracción de B como se puede ver en la figura A13.

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Figura A13. Tercera línea del programa. Para finalizar el programa en la figura A14 se realiza la misma estructura pero esta vez será para la activación de la salida A-, con el contacto de la bobina B- en serie con el contacto del detector B0 en paralelo a un contacto enclave y en serie con un contacto cerrado del detector final de carrera A0 para que desactive todo el programa cuando la secuencia haya concluido.

Figura A14. Ultima línea del programa. De esta manera se puede llevar a cabo la traducción de un circuito con relevadores a un programa de PLC con el lenguaje KOP para su programación.

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BIBLIOGRAFIAS: 1) Manual de usuario de FESTO FluidSim 3.6. 2) Catalogo SIMATIC S7-300. 3) Manual SIEMENS SIMATIC STEP 7 introducción y ejercicios primeros pasos. 4) Manual SIEMENS SIMATIC STEP 7 esquema de contactos KOP para PLC S7-300 y S7-400. 5) Manual SIEMENS SIMATIC configurar el hardware y la comunicación con STEP 7. 6) Manual SIEMENS SIMATIC STEP 7 S7-GRAPH para PLC S7-300 y S7-400 programación de controles secuenciales. 7) Tesis Automatización de procesos electro-neumáticos mediante CX-ONE, HATCHETT PEDROZA TALINA YURITZI, ORTÍZ MILCHORENA JONATHAN ALBERTO y ROSALES MÁRQUEZ MARCOS. 8) Tesis Desarrollo de una metodología para la realización de soluciones para procesos electroneumáticos mediante un controlador lógico programable, LASSERRE CEDILLO JUAN JOSÉ ÁNGEL y ZÁRATE MORENO ÁNGEL DANIEL. 9) Automatización problemas resueltos con autómatas programables, J. PEDRO ROMERA, J. ANTONIO LORITE y SEBASTIÁN MONTORO, Editorial Paraninfo. 10) Autómatas programables, MANDADO ENRIQUE, JORGE MARCOS, SERAFÍN PÉREZ, CELSO FERNÁNDEZ y ARMESTO IGNACIO, Editorial Cengage learning, Buenos Aires 2008. 11) Ingeniería de la automatización industrial, PIEDRAFITA MORENO RAMÓN, Editorial Alfaomega Ra-MA, 2° edición, México 2004. 12) Autómatas programables, BALCELLS JOSEP y ROMERAL JOSÉ LUIS, Editorial Alfaomega marcombo, México D.F. 1998. 13) Comunicaciones industriales, GUERRERO VICENTE, YUSTE MARTÍNEZ LUIS, Editorial Alfaomega marcombo, México D.F. 2009.

RAMÓN

y

14) Circuitos básicos de ciclos neumáticos y electroneumáticos, GEA JOSÉ MANUEL y LLADONOSA VICENTE, Editorial Alfaomega marcombo, México D.F. 2000.

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