¿Qué son las entradas analógicas? – Procesamiento de señales analógicas en PLC

En este artículo, hablaremos sobre el procesamiento de señales de entrada analógicas en PLC y cómo podemos manejar estas señales en el proceso de automatización.

Contenido:

• ¿Qué son las señales de entrada analógicas?
• Procesamiento analógico de entrada en S7-1200 y 1500.
• Procesamiento analógico de entrada en S7-300 y 400.
• ¿Cuáles son las mejores para el control? – Señales analógicas o digitales
• Conclusión.

¿Qué son las señales de entrada analógicas?

Antes de profundizar en cómo manejar las señales de entrada analógicas en TIA Portal, comencemos por comprender las entradas analógicas.

Todo sistema de automatización necesita señales de entrada para comprender el estado del proceso para poder tomar decisiones que mantendrán el proceso en funcionamiento y estable. Estas señales de entrada son señales de entrada discretas o digitales que tienen la forma de valores 0 o 1. El otro tipo de entrada son las señales analógicas.

Una señal analógica es simplemente una representación continua de una cantidad física en su sistema, por lo que si necesita monitorear la temperatura o la presión en su proceso, una señal analógica le brindará valores continuos e instantáneos que corresponden a los cambios reales en la cantidad física.

Las señales analógicas se proporcionan en muchas formas estándar, pero las más comunes son 0-10 V o 4-20 mA. Dependerá del tipo de sensor analógico que esté utilizando y también determinará el tipo de módulo analógico de PLC que puede utilizar.

Supongamos que tenemos un sensor de presión analógico que tiene un rango de medición de 0-10 bar y una salida en forma de 4-20 mA. Por lo general, una señal analógica tendrá una relación lineal entre la cantidad física medida y la salida correspondiente.

Eso significa que si el sensor mide 0 bar, dará una señal de 4 mA y si mide 10 bar, dará una señal de 20 mA y lo mismo entre ambos también será lineal. Consulte la imagen 1.

Imagen 1: representación de la señal analógica.

El PLC aún no puede comprender los 4-20 mA de la cantidad física, y aquí entra en juego el uso del módulo analógico del PLC. El módulo analógico realizará otra transformación a esta representación para que el PLC pueda comprenderla.

El módulo analógico convertirá las mediciones analógicas de mA en valores digitales que dependen del tipo de módulo, pero para el PLC Siemens, estos valores siempre están en el rango de 0 a 27648. Por lo tanto, si el sensor mide 0 bar, la salida será de 4 mA y se convertirá en un valor 0 dentro del PLC. Consulte la imagen 2.

Imagen 2: conversión analógica a digital de la señal de entrada

El PLC convertirá entonces los valores de 0 a 27648 en la medición física equivalente según su programación, a la que llegaremos más adelante. Consulte la imagen 3.

Imagen 3: el valor medido escalado dentro del PLC.

El procesamiento analógico de las temperaturas es bastante diferente porque el comportamiento del sensor de temperatura con los cambios físicos no es lineal como lo haría un sensor de nivel o de presión. Es por eso que existen tablas estandarizadas para los diferentes tipos de sensores de temperatura que indican qué temperatura corresponde a qué valor del sensor.

Es por eso que, con la medición de temperatura, seleccionaría tipos especiales de módulos de entrada de su PLC donde estas tablas estándar se definen internamente y obtendrá directamente el valor de temperatura correspondiente a la medición del sensor.

Es por eso que no puede encontrar un sensor de temperatura que tenga escrito un rango de medición de voltaje o corriente. Solo encontrará escrito el tipo de sensor, por ejemplo, PT100, PT1000, KTY84, PTC, etc.

Procesamiento de entradas analógicas en S7-1200 y 1500

Para ver cómo manejamos las señales analógicas en los PLC de la familia S7 modernos, comencemos por crear un nuevo proyecto y agregar una CPU S7-1200. También agregaremos un módulo de entrada/salida analógica. Ver imagen 4.

Imagen 4: Agregar un módulo de entrada analógica.

Ahora, definamos nuestra etiqueta de señal de entrada. Supondremos un sensor de presión que puede medir la presión entre 0 y 10 bares y da una señal correspondiente entre 4 y 20 mA.

Definiremos esa señal de entrada en las primeras etiquetas del módulo de entrada. Ver imagen 5.

Imagen 5: Definir la etiqueta de señal de entrada.

Como dijimos antes, el módulo de entrada puede trabajar con diferentes señales de entrada, ya sea 0-10 V o 4-20 mA, por lo que debemos asignar la configuración correcta para nuestro sensor.

Como hemos dicho, la señal de presión se da en forma de 4-20 mA, por lo que configuraremos nuestro canal de entrada para ello. Ver imagen 6.

Imagen 6 – Configurar el canal de entrada

Ahora que hemos terminado la parte de configuración del hardware, comenzaremos a programar nuestro código de manejo. Para ello, crearemos una función FC para que podamos reutilizarla cada vez que tengamos una señal analógica para procesar. Dentro de esta FC crearemos la lógica que manejará la señal analógica y la convertirá en el valor medido físico.

En TIA Portal hay instrucciones predefinidas que podemos usar para hacer exactamente eso, estas instrucciones son las instrucciones NORM_X y SCALE_X. Ver imagen 7.

Imagen 7 – Instrucciones NORM_X y SCALE_X

Como puede ver, NORM_X normalizará la entrada analógica a un valor entre 0 y 1, y luego se utilizará SCALE_X para escalar este valor normalizado al rango del valor físico medido, que en nuestro caso del sensor está entre 0 y 10 bares.

Usamos una función FC en lugar de escribir nuestro código directamente en el OB1 principal para que nuestro código sea reutilizable con cualquier señal analógica. Cada vez que tengo una nueva señal de entrada analógica, simplemente arrastro y suelto el bloque FC en nuestro OB1 principal y escribo los parámetros asociados de la entrada requerida. Vea la imagen 8.

Imagen 8: arrastre y suelte su FC.

Cuando arrastre y suelte el FC en su OB1 principal, se le solicitará que proporcione el parámetro asociado de esta llamada de función.

En nuestro caso, la señal de entrada es el sensor de presión y ScaledMIN y ScaledMAX son el rango de valores de medición de 0 a 10 bares. Consulte la imagen 9.

Imagen 9: Asignación de los parámetros de función a nuestro sensor de presión.

Si tengo una nueva entrada analógica, no tendré que volver a crear la lógica del PLC, simplemente arrastraré y soltaré la FC en el OB1 principal y asignaré los nuevos parámetros del sensor.

Supongamos que ahora tenemos un nuevo sensor analógico para medir el nivel dentro de un tanque de agua entre el 0 y el 100 % del tanque. Realizaremos los mismos pasos que antes, comenzando por definir la nueva etiqueta de entrada. Consulte la imagen 10.

Imagen 10: Definir un nuevo sensor de nivel

A continuación, configuraremos el canal de entrada para el sensor de nivel como lo hicimos en la imagen 6. Supondremos la misma configuración.

A continuación, simplemente arrastraremos y soltaremos la FC que creamos y simplemente asignaremos los parámetros del sensor de nivel. Vea la imagen 11.

Imagen 11: reutilización de la FC con el sensor de nivel.

Como puede ver en la imagen anterior, esta es una de las muchas ventajas de usar funciones FC en su lógica, ya que ayudó a reducir la cantidad de programación que realizamos.

Ahora tiene un código genérico que se puede reutilizar muchas veces con cualquier señal analógica de entrada que pueda necesitar en su proyecto de PLC.

Vea la siguiente simulación para el procesamiento de señales de entrada en un PLC Siemens.

Entradas analógicas en S7-300 y S7-400

Para ver cómo manejamos las señales analógicas en los PLC de la familia S7 más antiguos, como el S7-300, comencemos por crear un nuevo proyecto y agregar una CPU S7-300.

El PLC elegido ya tiene suficientes canales de entrada analógica, por lo que no agregaremos ningún módulo analógico. Consulte la imagen 12.

Imagen 12: agregue un PLC S7-300.

Luego definiremos la nueva etiqueta del sensor analógico; asumiremos un sensor de presión que tiene un rango de medición entre 0 y 100 bar y una salida de 4-20 mA.

Configuraremos el canal de entrada del PLC como lo hicimos antes con el S7-1200 para que se ajuste a nuestro sensor de entrada analógico. Consulte la imagen 13.

Imagen 13: configure el canal de entrada.

Ahora, en cuanto a la parte de codificación del PLC, la instrucción en el s7-300 que se usa para manejar el procesamiento analógico es diferente a la del s7-1200.

En los PLC S7-1200, tenemos que usar NORM_X y SCALE_X, pero con el S7-300 no tenemos la instrucción normalizada, solo se usa una instrucción SCALE. Consulte la imagen 14.

Imagen 14: instrucción SCALE en S7-300

Como puede ver en la imagen anterior, la instrucción SCALE en S7-300 es similar a las instrucciones NORM_X y SCALE_X combinadas. Existe otra diferencia clara que es la entrada BIPOLAR.

La entrada BIPOLAR se utiliza para indicar si el valor en el parámetro IN debe interpretarse como bipolar o unipolar. El parámetro puede asumir los siguientes valores:

• BIPOLAR = 1, entonces se supone que el valor entero de entrada está entre -27648 y +27648. Por ejemplo, cuando el sensor analógico nos da una salida en el rango de -10 V a +10 V
• BIPOLAR = 0, entonces se supone que el valor entero de entrada está entre 0 y 27648. Por ejemplo, cuando el sensor nos da una salida en el rango de 0 a 10 V

Y así es simplemente cómo manejar las señales de entrada analógicas en los PLC S7-1200 y S7-300.

¿Cuáles son mejores para el control? Señales analógicas o digitales

Mira, ambas señales son críticas y útiles para cualquier sistema de automatización, pero personalmente prefiero usar las señales analógicas si puedo, porque tener mediciones de señales analógicas para las cantidades físicas del proceso me dará un monitoreo continuo de los parámetros del proceso que me permitirá rastrear y controlar mejor mi proceso.

Además, tener un monitoreo continuo de los parámetros me permitirá establecer una lógica de control diferente para diferentes valores de señal, lo que hará que sea más fácil tener un rango de valores para controlar el proceso y otros rangos de valores para alarmas y advertencias del proceso que se desvían del funcionamiento normal.

Conclusión

• Una señal analógica es una representación continua de una cantidad física en su sistema.
• Las entradas analógicas se proporcionan más comúnmente en el rango de 0 a 10 V o de 4 a 20 mA.
• El procesamiento de señales analógicas significa convertir la señal analógica de 4 a 20 mA en un rango de valores que corresponde a la cantidad física real y que el PLC puede comprender.
• En la familia de PLC S7 moderna, como S7-1200, el manejo de señales analógicas se realiza mediante las instrucciones NORM_X y SCALE_X.
• En la familia de PLC S7 más antigua, como S7-300, el manejo de señales analógicas se realiza mediante la instrucción SCALE, que es básicamente una combinación entre las instrucciones NORM_X y SCALE_X.