Automatización Industrial

Tratamiento Analógico

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

Índice

abcd

RR/2R/4R/8

+-

SALIDAANALOGICA

Rf

Vs

02122232 5 v

Amplificador sumador

Red de resistencias

e

f

e

s

RR

VVA −==

Ve

i

i

f

s

e

e

RV

RVi −==

Convertidor Digital-Analógico, D/A

133.015020) ==Aa

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

266.07520) ==Ab

533.05.37

20) ==Ac

066.17.18

20) ==Ad

25755.3775*5.37) =

+=Abyc

665.0133.0*5133.0* === es VV

33.1266.0*5266.0* === es VV

665.2533.0*5533.0* === es VV

33.5066.1*5066.1* === es VV

48.0*58.0* === es VV8.02520) ==vAbyc

e

f

e

s

RR

VVA −==

Convertidor Digital-Analógico, D/A

CONTADOR DEN BITS+

- SALIDADIGITAL

ConvertidorD/A

RESETRELOJ

ENTRADAANALOGICA

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

COMPARADORB SU AF D LF E IE D R A

&

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

CIRCUITO DECONTROL

REGISTRO DEDESPLAZAMIENTO

+-

SALIDADIGITAL

REGISTRO DE APROXIMACIONES

SUCESIVAS

RELOJ

ENTRADAANALOGICA

- Rápidos- Tiempo de conversión fijo

COMPARADOR B SU AF D LF E IE D R A

ConvertidorD/A

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

Convertidor A/D MK 50808 de MOSTEK

Por sondeo

A/D

I0

I7

3

OE

START

ALE

Pµ

Puerto

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

MULTIPLEXOR

Control de Convertidores A/D (I)

Por interrupción

MULTIPLEXOR

A/D

I0

I7

3

EOCSTART

INT

ALE

Pµ

Puerto

- No hay que programar tiempo de espera

OE

Control de Convertidores A/D (II)

• La conversión A/D se realiza mediante tarjetas de entradas analógicas

Tarjetas de Entradas Analógicas – Diagrama de Bloques

Tarjetas de Entradas Analógicas – Módulo SM 331

• La conversión D/A se realiza mediante tarjetas de salidas analógicas

Tarjetas de Salidas Analógicas – Diagrama de Bloques

Tarjetas de Salidas Analógicas – Módulo SM 332

Rack0

Rack1

Rack2

Rack3

IM

IM(Receptor)

IM512a

526

528a

542

544a

558

560a

574

576a

590

592a

606

608a

622

624a

638

384a

398

400a

414

432a

446

448a

462

464a

478

480a

494

496a

510

416a

430

256a

270

336a

350

352a

366

368a

382

304a

318

320a

334

272a

286

288a

302

IM640a

654

656a

670

672a

686

688a

702

704a

718

720a

734

736a

750

752a

766

(Receptor)

(Receptor)

(Emisor)

Fuente dealimentac.

Fuente dealimentac.

CPUy

fuente dealimentac.

Fuente dealimentac.

• El identificador de direcciones es:- PIW para las entradas analógicas - PQW para las salidas analógicas

Direccionamiento de Tarjetas Analógicas

Valores Analógicos de Trabajo

• Unipolares1 a 5 V 0 a 10 V

• Bipolares± 10 V ± 5 V ± 2,5 V ± 1 V± 500 mV ± 250 mV ± 80 mV

Valores en Tensión

• Unipolares0 a 20 mA 4 a 20 mA

• Bipolares± 20 mA ± 10 mA ± 3,2 mA

Valores en Intensidad

10 kΩ 150Ω 300Ω 100Ω

Valores en Resistencia

• 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

S 02122215 14

3242526272829210211212213214213 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0Número del bit

Peso del bit

0 X X X X X X X X X X X X X X 0Cod. 14 bits (+S)

0 X X X X X X X X X X X X 0 0 0Cod. 12 bits (+S)

0 X X X X X X X X X 0 0 0 0 0 0Cod. 9 bits (+S)

Resolución Valor analógico

Representación Digital – Resolución

Representación Digital – Márgenes Bipolares

Representación Digital – Márgenes Unipolares

• 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

Representación de Valores de Medida de E/A

L PIW 288 // Leer valor E/AT MW 10

A(L MW 10 //Comparación con 2 V.L 5530>I)A(L MW 10 //Comparación con 4 V.L 11060<I)OA(L MW 10 //Comparación con 6 V.L 16589>I)A(L MW 10 //Comparación con 8 V.L 22118<I)= Q 4.0

• 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

Ejemplo

L PIW 288 // Leer valor E/AITDDTRL 2.764800e+004/RL 1.000000e+001*RRNDT MD 10

A(L MD 10 //Comparación con 2 V.L 2>I)A(L MD 10 //Comparación con 4 V.L 4<I)OA(L MD 10 //Comparación con 6 V.L 6>I)A(L MD 10 //Comparación con 8 V.L 8<I)= Q 4.0

• El tiempo de conversión se compone de:• tiempo de conversión básico

depende directamente del tipo de conversión (por integración, o valores instantáneos).en el caso de integración, el periodo de integración se considera directamente en el tiempo de conversiónel periodo de integración tiene efecto directo sobre la resoluciónel periodo de integración depende de la supresión de frecuencias perturbadoras.los periodos de conversión básicos son 2.5, 16.6, 20 y 100 mseg.

• tiempos suplementariostiempo para la medida de resistenciatiempo para la vigilancia de rotura de hilo

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

módulo

Tiempo de Ciclo

Tiempo de Conversión de Entradas Analógicas

Tiempo de Conversión y de Ciclo de E/A

• 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

• 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 Conversión

Tiempo de Ciclo

• 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.

Tiempo de Establecimiento

Tiempos de Conversión, Ciclo, Establecimiento para S/A

• 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.

Tiempo de Respuesta

Tiempos de Respuesta de S/A

• Los módulos analógicos se parametrizan off-line con el STEP 7• Algunos parámetros pueden modificarse también en el programa de usuario 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

• 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 Entrada

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

Propiedades Parametrizables de Canales de Salida

Parámetros de los Módulos Analógicos

Configuración de las Tarjetas Analógicas

• 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 CPU• activación de alarma de diagnóstico (sólo si esta habilitada)

Diagnosis de los Módulos Analógicos

Mensajes deDiagnósticopara EntradasAnalógicas

Mensajes deDiagnósticopara SalidasAnalógicas

• 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

• Cuando se detecta un fallo o desaparece éste, el módulo emite una alarma de diagnóstico siempre que esté habilitada

• La CPU interrumpe el tratamiento del programa de usuario y procesa el módulo de tratamiento de alarma de diagnóstico OB 82

Alarma de Diagnóstico

Alarmas de los Módulos Analógicos (I)

• 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 CPU interrumpe el tratamiento del programa de usuario 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

Alarma de Proceso

Alarmas de los Módulos Analógicos (II)

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

Procesamiento de Valores Analógicos en S7

LT

Sensor de NivelPIW 288

Nivel alto

Nivel bajo

Tratamiento de Señales Analógicas

1000 L

0 L

Tarjeta de Entradas Analógicas

PIW 288 = +10960

Valor después de la conversión A/D

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

Cuando la tarjeta de entradas analógicasrecibe desde campo una señal de tensión ocorriente, la tarjeta convierte la señal a unvalor binario (A/D) al que puede acceder elprograma de CPU a través del bus P.

Conversión de Señales Analógicas de Entrada

• 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.

Presentación de Valores Analógicos

Tarjeta de Salidas Analógicas

CPU -> Tarjeta AnalógicaL +13824T PQW 304

Cuando el programa de CPU envía un valor ala tarjeta de salidas analógicas a través delbus P, la tarjeta ejecuta la conversión D/A.El resultado de la tarjeta es una variación envoltaje o intensidad, que se usa para el controlde dispositivos externos de campo.

Flujo de control

Válvula de posición variable

Suponiendo tarjeta de salida analógica de 0 a +10 Vpara el valor digital 13824, después de la conversión D/A debe sacar 5 V.

Conversión de Señales Analógicas de Salida

LT

Sensor deNivelPIW 288

Nivel alto: 9 voltios ó 24883

Nivel bajo:1 Voltio ò 2765

Q 4.0Válvula de llenado

Q 5.7Válvula de drenaje

- 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 288L 24883>=I= Q 5.7

L PIW 288L 2765<=I= Q 4.0

Valores Analógicos para Observación de Alarmas

• 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 CPU para compensar.

PIW 288sensor denivel:midiendoun valor de4 a 20 mA

20 mA

4 mA

+ 27648

+5530 (20% de rango)

1000 L

0 L

Suponiendo un offset del 20%, el valor equivalente si tener en cuenta el offset es:(valor analógico medido - 20% del rango usado en la CPU) x 125 / 100Ejemplo: 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 Entrada Analógicas

• Cuando las características del dispositivo de campo analógico tiene un 20% offseto “señala cero”, se hace necesario un offset del valor analógico en la CPU para compensar.

Salida PQW 304valor de 4 a 20 mA

Tarjeta de Salidas Analógicas

IP

Válvula deposicionamiento en 3 a 15 psi

Transductor de corriente a presión

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 utilizableEjemplo: Para abrir la válvula a la mitad:PQW 304 = ( (MW 20 x 100) / 125) + 5530, Donde MW 20 = 27648/2=13824

Uso del Offset con Señales de Salida Analógicas

• 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......

Ajuste de Valores Analógicos

-100 grados-276480 litros0 grados0

500 litros100 grados+27648

NivelRango unipolar

TemperaturaRango bipolar

Rango Nominal de la Conversión

• 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 CPU) + PV offset

+27648

0

Rango de CPU(unipolar)0 -> +27648

400 L

0 L

Rango deseado enunidades de ingeniería0 -> 400 L

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

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

PIW 288

Ejemplo:

Ajuste de Valores Analógicos Unipolares

in PV INT 0 Palabra de la E/A medidoin PV_Superior REAL 0 Límite superior del rango en unid. ing.in PV_Inferior REAL 0 Límite inferior del rango en unid. ing.out Valor_Graduado REAL 0 Resultado del valor graduadotemp PV_Real REAL 0 PV convertido a valor realtemp Rango_Ing REAL 0 PV_Superior - PV_Inferior

L #PV //Carga el valor medido dela E/AITD //Convierte de entero a entero dobleDTR //Convierte de entero doble a realT #PV_Real //Valor analógico de entrada en formato nº real

L #PV_Superior //Rango en unidades de ingenieríaL #PV_Inferior-RT #Rango_Ing

L #PV_Real //Entrada analógica en formato de nº realL 2.764800e+04 //Cargar rango de CPU para la conversión (+27648)/R //DivideL #Rango_Ing //Cargar rango en unidades de ingeniería*R //MultiplicarL #PV_Inferior //Cargar el PV_Inferior para calcular el offset PV+R //SumarT #Valor_Graduado //Resultado final

Segmento 1

Segmento 2

Segmento 3

FC 28

Función de Ajuste 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 CPU) x PV medido en / rango de CPU - 20%) + PV offset

+27648

+5530

Rango de CPU(unipolar)

+5530 -> +27648

200 L

0 L

Rango deseado enunidades de ingeniería0 -> 200 L

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

22118

Si el recipiente está al 50%, laentrada analógica dePIW 288=+16589 ;MD20 igual a 100.

PIW 288Ejemplo:

Ajuste del Offset de Valores Analógicos Unipolares

in PV INT 0 Palabra de la E/A medidain PV_Superior REAL 0 Límite superior del rango en unid. ing.in PV_Inferior REAL 0 Límite inferior del rango en unid. ing.out Valor_Graduado_20 REAL 0 Valor graduado resultante del offset 20%temp PV_Real REAL 0 PV convertido a valor realtemp PV_Real_20 REAL 0 PV_Real offset por 20%temp Rango_Ing REAL 0 PV_Superior - PV_Inferior

L #PV //Carga del valor medido dela E/AITD //Convierte de entero a entero dobleDTR //Convierte de entero doble a realT #PV_Real //Valor analógico de entrada en formato nº realL #PV_Real //L 553000e+03 //Cargar 20% del rango de conversión de la CPU (5530)-RT #PV_Real_20 //Almacenar el valor real del offset del PVL #PV_Superior //Rango en unidades de ingenieríaL #PV_Inferior-RT #Rango_IngL #PV_Real_20 //Cargar valor real PV con offset 20% del rango de CPUL 2.211800e+04 //Cargar rango de CPU menos 20%(27648-5530)/R //DivideL #Rango_Ing //Cargar rango en unidades de ingeniería*R //MultiplicarL #PV_Inferior //Cargar el PV_Inferior para calcular el offset PV+R //SumarT #Valor_Graduado //Resultado final

FC 29

Función Ajuste del Offset de Val. Analóg. Unipolares

• 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 CPU x2) + Medio rango PV

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

Si la entrada analógica PIW 288 medida +13824 , MD30 = +25+27648

-27648

Rango de CPU(bipolar)

de -27648 a +27648

+ 50 grados

-50 grados

Rango deseado enunidades de ingenieríade -50 a +50 grados

PIW 288medida del sensor de temperaturade +10 a -10V

Ejemplo:

Ajuste de Valores Analógicos Bipolares

in PV INT 0 Palabra de la E/A medidoin PV_Superior REAL 0 Límite superior del rango en unid. ing.in PV_Inferior REAL 0 Límite inferior del rango en unid. ing.out Valor_Graduado_Bi REAL 0 Resultado del valor graduadotemp PV_Real REAL 0 PV convertido a valor realtemp PV_Mid REAL 0 (PV Superior-PV Inferior) / 2 +PV Inferiortemp Rango_Ing_Bi REAL 0 PV_Superior - PV_InferiorL #PV //Carga del valor medido dela E/AITD //Convierte de entero a entero dobleDTR //Convierte de entero doble a realT #PV_Real //Valor analógico de entrada en formato nº realL #PV_Superior //Rango en unidades de ingenieríaL #PV_Inferior-RT #Rango_Ing_Bi //Variable PV medio rango L #Rango_Ing_Bi //L 2.00000e+00 ///R //L #PV_Inferior+R //T #PV_Mid //Almacena la variable PV medio rangoL #PV_Real //Cargar valor real PVL #Rango_Ing_Bi //Cargar rango en unidades de ingeniería bipolares*R //MultiplicarL 5529600e+4 //Cargar el rango de CPU bipolar (27648 x 2)/R //L #PV_Mid //Cargar la variable PV rango medio+R //SumarT #Valor_Graduado_Bi //Resultado final

FC 34

Función de Ajuste de Valores Analógicos Bipolares

• 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

PV

PV_Superior

PV_InferiorValor_Graduado

PIW288

100

0

inininouttemptemp

PVPV_SuperiorPV_InferiorValor _AjustadoPV_RealRango_Ing

INTREALREALREALREALREAL

OOOOOO

FC28

MD10

Segmento 1:Convierte un valor analógico de entradaa real

Segmento 2:Determina el rango en unidades de ingeniería

Segmento 3:Ajuste del valor analógico

Llamada a Módulos y Ajuste de Valores

FC 105 SCALE: Escalar valores

Lectura y Normalización de un Valor Analógico

FC 106 UNSCALE: Desescalar valores

FC para Desescalar Valores para S/A