Variables Analogicas 83d8

Tratamiento Analógico Automatización Industrial

Índice TEMA – Tratamiento Analógico 1. – Conversiones D/A, A/D 2. – Tarjetas de Entradas y Salidas Analógicas 3. – Representación Digital de Valores Analógicos 4. – Configuración de las Tarjetas de Entradas y Salidas Analógicas 5. – Tiempos de Ciclo y Conversión 6. – Ajuste de Valores Analógicos 7. – Normalización de Valores Analógicos

Convertidor Digital-Analógico, D/A 23

22

d

20 Ve 5 v

21

c

b

a Amplificador sumador

R/8

R/4

R/2

Rf

R

i

-

Ve V =− s Re Rf

Vs

SALIDA ANALOGICA

+

Red de resistencias

i=

i

A=

Rf Vs =− Ve Re

Convertidor Digital-Analógico, D/A A=

Rf Vs =− Ve Re

- Supongamos Rf = 20 K, y R = 150 K, sin tener en cuenta el cambio signo queda: a) A =

20 = 0.133 150

Vs = Ve * 0.133 = 5 * 0.133 = 0.665

b) A =

20 = 0.266 75

Vs = Ve * 0.266 = 5 * 0.266 = 1.33

c) A =

20 = 0.533 37.5

Vs = Ve * 0.533 = 5 * 0.533 = 2.665

d)A =

20 = 1.066 18.7

Vs = Ve *1.066 = 5 *1.066 = 5.33

byc) A =

37.5 * 75 20 = 25 byc) Av = = 0.8 37.5 + 75 25

Vs = Ve * 0.8 = 5 * 0.8 = 4

Convertidor Analógico-Digital, A/D – Convertidor en Rampa

RELOJ

ENTRADA ANALOGICA

RESET

&

+ -

CONTADOR DE N BITS

B S U A FDL FE I E D R A

COMPARADOR

SALIDA DIGITAL

Convertidor D/A - Lentos en la conversión - Tiempo de conversión variable - Aumenta con el valor que se tiene que convertir

Convertidor Analógico-Digital, A/D – Convertidor por Aproximaciones Sucesivas

REGISTRO DE APROXIMACIONES SUCESIVAS

RELOJ ENTRADA ANALOGICA

+ -

CIRCUITO DE CONTROL

REGISTRO DE DESPLAZAMIENTO

COMPARADOR

B S SALIDA U A DIGITAL FDL FE I E D R A

Convertidor D/A - Rápidos - Tiempo de conversión fijo

Convertidor A/D MK 50808 de MOSTEK

Control de Convertidores A/D (I) Por sondeo I0

I7

M U L T I P L E X O R

µP Puerto

A/D OE START

3 ALE

- Hay que programar un tiempo de espera necesario para la conversión

Control de Convertidores A/D (II) Por interrupción

I0

I7

M U L T I P L E X O R

µP Puerto

A/D OE EOC START

INT

3 ALE

- No hay que programar tiempo de espera

Tarjetas de Entradas Analógicas – Diagrama de Bloques • La conversión A/D se realiza mediante tarjetas de entradas analógicas

Tarjetas de Entradas Analógicas – Módulo SM 331

Tarjetas de Salidas Analógicas – Diagrama de Bloques • La conversión D/A se realiza mediante tarjetas de salidas analógicas

Tarjetas de Salidas Analógicas – Módulo SM 332

Direccionamiento de Tarjetas Analógicas • El identificador de direcciones es: - PIW para las entradas analógicas Rack Fuente de IM 3 alimentac. (Receptor)

Rack Fuente de IM 2 alimentac. (Receptor)

Rack Fuente de 1 alimentac.

Rack 0

U y fuente de alimentac.

- PQW para las salidas analógicas

640 a 654

656 a 670

672 a 686

688 a 702

704 a 718

720 a 734

736 a 750

752 a 766

512 a 526

528 a 542

544 a 558

560 a 574

576 a 590

592 a 606

608 a 622

624 a 638

384 a 398

400 a 414

416 a 430

432 a 446

448 a 462

464 a 478

480 a 494

496 a 510

256 a 270

272 a 286

288 a 302

304 a 318

320 a 334

336 a 350

352 a 366

368 a 382

IM (Receptor)

IM (Emisor)

Valores Analógicos de Trabajo Valores en Tensión • Unipolares ¾ 1a5V • Bipolares ¾ ± 10 V ¾ ± 500 mV

0 a 10 V ±5V ± 250 mV

± 2,5 V ± 80 mV

±1V

Valores en Intensidad • Unipolares ¾ 0 a 20 mA • Bipolares ¾ ± 20 mA

4 a 20 mA ± 10 mA

± 3,2 mA

Valores en Resistencia ¾ 10 kΩ

150Ω

300Ω

100Ω

Representación Digital – Resolución • • • •

La resolución máxima es de 15 bits La resolución es inferior, los dígitos insignificantes se rellenan con 0 La resolución depende del tipo de tarjeta analógica y de su parametrización La misma tarjeta se puede parametrizar: • para intensidad o tensión. Unipolar o bipolar • el signo: “0” -->+, “1” --> • las direcciones utilizadas son: PIW 288 y PIW 290. PQW 304 y PQW 306

Valor analógico

Resolución

Número del bit 15 14 13 12 11 10 9 8 Peso del bit

7

6

5

4

3

2

1

0

S 214 213 212 211 210 29 28 2 7 2 6 25 2 4 2 3 2 2 21 2 0

Cod. 14 bits (+S) 0

X

X

X

X

X X X

X X X X X X X

0

Cod. 12 bits (+S) 0

X

X

X

X

X X X

X X X X X

0

0

0

Cod. 9 bits (+S) 0

X

X

X

X

X X X

X X

0

0

0

0

0

0

Representación Digital – Márgenes Bipolares

Representación Digital – Márgenes Unipolares

Representación de Valores de Medida de E/A • Valores Analógicos en los valores de entrada de 0 a 10V y 1 a 5V

Representación de Valores de Medida de E/A • Valores Analógicos en los valores de salida de 0 a 10V y 1 a 5V

Ejemplo • Se trata de que se active la salida “Q 4.0” para valores de tensión , en la entrada analógica “PIW 288” , entre 2 y 4 o entre 6 y 8 voltios L PIW 288 T MW 10 A( L MW 10 L 5530 >I ) A( L MW 10 L 11060 I ) A( L MW 10 L 22118
// Leer valor E/A

//Comparación con 2 V.

L PIW 288 // Leer valor E/A ITD DTR L 2.764800e+004 /R L 1.000000e+001 *R RND T MD 10

//Comparación con 4 V.

//Comparación con 6 V.

//Comparación con 8 V.

A( L MD 10 L 2 >I ) A( L MD 10 L 4 I ) A( L MD 10 L 8
//Comparación con 2 V.

//Comparación con 4 V.

//Comparación con 6 V.

//Comparación con 8 V.

Tiempo de Conversión y de Ciclo de E/A Tiempo de Conversión de Entradas Analógicas • El tiempo de conversión se compone de: • tiempo de conversión básico 9 depende directamente del tipo de conversión (por integración, o valores instantáneos). 9 en el caso de integración, el periodo de integración se considera directamente en el tiempo de conversión 9 el periodo de integración tiene efecto directo sobre la resolución 9 el periodo de integración depende de la supresión de frecuencias perturbadoras. 9 los periodos de conversión básicos son 3, 17, 22 y 102 mseg.

• tiempos suplementarios 9 tiempo para la medida de resistencia 9 tiempo para la vigilancia de rotura de hilo

Tiempo de Ciclo • La conversión A/D y la transferencia a la U se realiza secuencialmente • El tiempo de ciclo es el tiempo que tarda en convertir todos los canales activos en un módulo

Tiempos de Conversión, Ciclo, Establecimiento para S/A Tiempo de Conversión • El tiempo de conversión de un canal de salida analógica es el tiempo que transcurre entre la consideración de un valor de salida digitalizado de la memoria interna y la conversión digital-analógica

Tiempo de Ciclo • La conversión de canales de salida analógica se realiza secuencialmente • El tiempo de ciclo es el tiempo que tarda en convertir todos los canales activos en un módulo de salida analógica

Tiempo de Establecimiento • El tiempo de establecimiento (t2 a t3) es el tiempo que transcurre entre la aplicación del valor convertido y el momento en que alcanza el valor especificado en la salida analógica. • El tiempo de establecimiento depende de la carga. • Hay que distinguir entre cargas resistivas, capacitivas e inductivas.

Tiempos de Respuesta de S/A Tiempo de Respuesta • El tiempo de respuesta (t1 a t3) es el tiempo que transcurre entre la escritura de los valores de salida en la memoria interna y el momento en que se alcanza el valor especificado en la salida analógica física. • En el caso más desfavorable, es la suma de los tiempos de ciclo y de establecimiento.

Parámetros de los Módulos Analógicos • Los módulos analógicos se parametrizan off-line con el STEP 7 • Algunos parámetros pueden modificarse también en el programa de por medio de las SFC 55, SFC 56 y SFC 57. • Hay que distinguir entre: • parámetros estáticos. Se ajustan con el aparato de programación • parámetros dinámicos. Se ajustan con el aparato de programación o SFC 55

Propiedades parametrizables de canales de entrada • • • •

habilitaciones de alarma (del proceso, de diagnóstico) (dinámico) alarmas de valor límite (límite superior, límite inferior) (dinámico) alarmas de diagnóstico (colectivo, detección rotura de hilo) (estático) medida (tipo, margen, supresión frecuencias perturbadoras) (dinámico)

Propiedades parametrizables de canales de salida • • • •

habilitaciones de alarma (de diagnóstico) (dinámico) alarma de diagnóstico (colectivo) (estático) valores de sustitución (comportamiento en STOP de la U) (dinámico) salida (tipo, margen de salida) (dinámico)

Configuración de las Tarjetas Analógicas

Diagnosis de los Módulos Analógicos • La función de diagnóstico permite determinar si los valores analógicos se han tratado sin errores, y en caso contrario, qué error ha aparecido. • El diagnóstico se parametriza con el STEP 7 • La evaluación se realiza si está habilitada la función de diagnóstico • Los mensajes de diagnóstico evaluados provocan las siguientes acciones: • indicación luminosa en módulo analógico. • transmisión de mensaje de diagnóstico a la U • activación de alarma de diagnóstico (sólo si esta habilitada)

Mensajes de Diagnóstico para Entradas Analógicas Mensajes de Diagnóstico para Salidas Analógicas

Alarmas de los Módulos Analógicos (I) • Los módulos analógicos tienen la capacidad de emitir alarmas • Se distinguen dos tipos de alarmas: • alarma de diagnóstico • alarma de proceso • Las alarmas se parametrizan con el STEP7 • Por defecto están bloqueadas

Alarma de Diagnóstico • Cuando se detecta un fallo o desaparece éste, el módulo emite una alarma de diagnóstico siempre que esté habilitada • La U interrumpe el tratamiento del programa de y procesa el módulo de tratamiento de alarma de diagnóstico OB 82

Alarmas de los Módulos Analógicos (II) Alarma de Proceso • La parametrización de los límites superior e inferior define un margen de trabajo • Cuando la señal de proceso abandona dicho margen, el módulo activa una alarma de proceso siempre que esté habilitada • La U interrumpe el tratamiento del programa de y procesa el módulo de tratamiento de alarma de proceso OB 40 • Para detectar qué canal ha rebasado el límite consultar información del byte 4 de la información adicional de alarma de proceso del OB 40

Procesamiento de Valores Analógicos en S7

El bus P (bus periférico) permite acceder directamente a los valores analógicos como entradas desde el campo o como salidas al campo. Al bus periférico se puede acceder en formato de byte, palabra y doble palabra

Tratamiento de Señales Analógicas

Nivel alto Sensor de Nivel PIW 288 LT

Nivel bajo

Conversión de Señales Analógicas de Entrada Tarjeta de Entradas Analógicas Cuando la tarjeta de entradas analógicas recibe desde campo una señal de tensión o corriente, la tarjeta convierte la señal a un valor binario (A/D) al que puede acceder el programa de U a través del bus P.

Valor después de la conversión A/D

1000 L

0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1

PIW 288 = +10960

0L

0 0 0 0

Presentación de Valores Analógicos •

STEP7 permite ver o usar valores analógicos tanto de entrada como de salida en múltiples formatos numéricos. La tabla de variables de abajo muestra: PIW288 y PIW290 (entradas analógicas) como dec, hex, bin.

Conversión de Señales Analógicas de Salida Tarjeta de Salidas Analógicas Cuando el programa de U envía un valor a la tarjeta de salidas analógicas a través del bus P, la tarjeta ejecuta la conversión D/A. El resultado de la tarjeta es una variación en voltaje o intensidad, que se usa para el control de dispositivos externos de campo.

U -> Tarjeta Analógica L +13824 T PQW 304

Válvula de posición variable Flujo de control Suponiendo tarjeta de salida analógica de 0 a +10 V para el valor digital 13824, después de la conversión D/A debe sacar 5 V.

Valores Analógicos para Observación de Alarmas - Si sensor de nivel menos de 1 V. --> abrir válvula de llenado - Si sensor de nivel más de 9 V. --> abrir válvula de drenaje L PIW 288 L 2765 <=I = Q 4.0

Q 4.0 Válvula de llenado

Nivel alto: 9 voltios ó 24883 Sensor de Nivel PIW 288 LT Nivel bajo:1 Voltio ò 2765 L PIW 288 L 24883 >=I = Q 5.7

Q 5.7 Válvula de drenaje

Uso del Offset con Señales de Entrada Analógicas •

Cuando las características del dispositivo de campo analógico tiene un 20% offset o “puesta a cero”, se hace necesario un offset del valor analógico en la U para compensar. PIW 288 sensor de nivel: midiendo un valor de 4 a 20 mA

+ 27648

+5530 (20% de rango)

20 mA

1000 L

4 mA

0L

Suponiendo un offset del 20%, el valor equivalente si tener en cuenta el offset es: (valor analógico medido - 20% del rango usado en la U) x 125 / 100 Ejemplo: Para PIW 288 = 16.589, el valor representa: (16.589 - 5530) x 1.25 = 13.824, que representan un volumen del 50% del tanque

Uso del Offset con Señales de Salida Analógicas •

Cuando las características del dispositivo de campo analógico tiene un 20% offset o “señala cero”, se hace necesario un offset del valor analógico en la U para compensar. Tarjeta de Salidas Analógicas

Transductor de corriente a presión I

P

Salida PQW 304 valor de 4 a 20 mA

Válvula de posicionamiento en 3 a 15 psi

Suponiendo un offset de salida del 20%, el valor que hay que enviar es: (valor de la señal analógica sin offset x 100) / 125 + 20 % del rango utilizable Ejemplo: Para abrir la válvula a la mitad: PQW 304 = ( (MW 20 x 100) / 125) + 5530, Donde MW 20 = 27648/2=13824

Ajuste de Valores Analógicos •

El ajuste de los valores analógicos nos permite trabajar y comparar en las mismas unidades que la variable controlada, en vez de trabajar con los valores numéricos dados por la conversión A/D. Mediante ecuaciones matemáticas, se puede usar unidades de ingeniería tales como grados, metros, gramos, litros......

Rango Nominal de la Conversión

Temperatura Rango bipolar

Nivel Rango unipolar

+27648

100 grados

500 litros

0

0 grados

0 litros

-27648

-100 grados

Ajuste de Valores Analógicos Unipolares •

Para calcular el valor ajustado de una señal unipolar, se usa la siguiente ecuación: Valor ajustado = (Medida de la entrada PV x PV medido en unidades de ingeniería / rango de U) + PV offset

Ejemplo: PIW 288

Ajuste: MD10 = (PIW 288 x 400) / 27648

+27648 Rango de U (unipolar) 0 -> +27648 0

Si el recipiente está al 50 %, el valor analógico de entrada de PIW 288=+13824 ; MD10 igual a 200.

400 L

Rango deseado en unidades de ingeniería 0 -> 400 L 0L

Función de Ajuste de Valores Analógicos Unipolares FC 28 in in in out temp temp

PV PV_Superior PV_Inferior Valor_Graduado PV_Real Rango_Ing

INT REAL REAL REAL REAL REAL

Segmento 1 L ITD DTR T

#PV

//Carga el valor medido dela E/A //Convierte de entero a entero doble //Convierte de entero doble a real //Valor analógico de entrada en formato nº real

Segmento 2 L L -R T

#PV_Superior #PV_Inferior

Segmento 3 L L /R L *R L +R T

#PV_Real 2.764800e+04

#PV_Real

0 0 0 0 0 0

Palabra de la E/A medido Límite superior del rango en unid. ing. Límite inferior del rango en unid. ing. Resultado del valor graduado PV convertido a valor real PV_Superior - PV_Inferior

//Rango en unidades de ingeniería

#Rango_Ing

#Rango_Ing #PV_Inferior #Valor_Graduado

//Entrada analógica en formato de nº real //Cargar rango de U para la conversión (+27648) //Divide //Cargar rango en unidades de ingeniería //Multiplicar //Cargar el PV_Inferior para calcular el offset PV //Sumar //Resultado final

Ajuste del Offset de Valores Analógicos Unipolares Para calcular el valor ajustado del 20 % offset de una señal unipolar, use la siguiente ecuación: Valor ajustado con 20% offset = ((Medida de la entrada analógica PV - 20% del rango de la U) x PV medido en / rango de U - 20%) + PV offset

Ejemplo:

Ajuste: MD20 = ((PIW 288 - 5530) x 200) / 22118

PIW 288

+27648 Rango de U (unipolar) +5530 -> +27648 +5530

Si el recipiente está al 50%, la entrada analógica de PIW 288=+16589 ; MD20 igual a 100.

200 L

Rango deseado en unidades de ingeniería 0 -> 200 L 0L

Función Ajuste del Offset de Val. Analóg. Unipolares FC 29

in in in out temp temp temp

PV PV_Superior PV_Inferior Valor_Graduado_20 PV_Real PV_Real_20 Rango_Ing

INT REAL REAL REAL REAL REAL REAL

L ITD DTR T L L -R T L L -R T L L /R L *R L +R T

#PV

//Carga del valor medido dela E/A //Convierte de entero a entero doble //Convierte de entero doble a real //Valor analógico de entrada en formato nº real // //Cargar 20% del rango de conversión de la U (5530)

#PV_Real #PV_Real 553000e+03 #PV_Real_20 #PV_Superior #PV_Inferior #Rango_Ing #PV_Real_20 2.211800e+04 #Rango_Ing #PV_Inferior #Valor_Graduado

0 0 0 0 0 0 0

Palabra de la E/A medida Límite superior del rango en unid. ing. Límite inferior del rango en unid. ing. Valor graduado resultante del offset 20% PV convertido a valor real PV_Real offset por 20% PV_Superior - PV_Inferior

//Almacenar el valor real del offset del PV //Rango en unidades de ingeniería

//Cargar valor real PV con offset 20% del rango de U //Cargar rango de U menos 20%(27648-5530) //Divide //Cargar rango en unidades de ingeniería //Multiplicar //Cargar el PV_Inferior para calcular el offset PV //Sumar //Resultado final

Ajuste de Valores Analógicos Bipolares •

Para calcular el valor ajustado de una señal bipolar, se usa la siguiente ecuación: Valor bipolar ajustado = (Medida de la entrada PV x PV medido / rango de U x2) + Medio rango PV

Ejemplo: PIW 288 medida del sensor de temperatura de +10 a 10V

Ajuste: MD30 = (PIW 288 x 100) / 55296

+27648

Rango de U (bipolar) de -27648 a +27648

-27648

+ 50 grados

Si la entrada analógica PIW 288 medida +13824 , MD30 = +25

Rango deseado en unidades de ingeniería de -50 a +50 grados -50 grados

Función de Ajuste de Valores Analógicos Bipolares FC 34

in in in out temp temp temp L ITD DTR T L L -R T L L /R L +R T L L *R L /R L +R T

PV PV_Superior PV_Inferior Valor_Graduado_Bi PV_Real PV_Mid Rango_Ing_Bi #PV

#PV_Real #PV_Superior #PV_Inferior #Rango_Ing_Bi #Rango_Ing_Bi 2.00000e+00

INT 0 Palabra de la E/A medido REAL 0 Límite superior del rango en unid. ing. REAL 0 Límite inferior del rango en unid. ing. REAL 0 Resultado del valor graduado REAL 0 PV convertido a valor real REAL 0 (PV Superior-PV Inferior) / 2 +PV Inferior REAL 0 PV_Superior - PV_Inferior //Carga del valor medido dela E/A //Convierte de entero a entero doble //Convierte de entero doble a real //Valor analógico de entrada en formato nº real //Rango en unidades de ingeniería

//Variable PV medio rango // // //

#PV_Inferior #PV_Mid #PV_Real #Rango_Ing_Bi 5529600e+4 #PV_Mid #Valor_Graduado_Bi

// //Almacena la variable PV medio rango //Cargar valor real PV //Cargar rango en unidades de ingeniería bipolares //Multiplicar //Cargar el rango de U bipolar (27648 x 2) // //Cargar la variable PV rango medio //Sumar //Resultado final

Llamada a Módulos y Ajuste de Valores • Con el uso de un módulo de ajuste, tal como un FC, el OB1 puede llamar el módulo y pasar los parámetros para resolver el ajuste del valor. En este ejemplo, un sensor de temperatura mide un rango de 0 a 100 grados (conectado a la PIW 288). FC28 in in in out temp temp

FC28

PIW288 100 0

INT REAL REAL REAL REAL REAL

O O O O O O

Segmento 1: Convierte un valor analógico de entrada a real

PV PV_Superior PV_Inferior Valor_Graduado

PV PV_Superior PV_Inferior Valor _Ajustado PV_Real Rango_Ing

MD10

Segmento 2: Determina el rango en unidades de ingeniería Segmento 3: Ajuste del valor analógico

Lectura y Normalización de un Valor Analógico FC 105 SCALE: Escalar valores

FC para Desescalar Valores para S/A FC 106 UNSCALE: Desescalar valores