Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua.

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería Electrónica Industrial y Automática Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. Autor: Rodrigo Barrera San José Tutor: Alberto Herreros López Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática Valladolid, junio de 2023 Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 2 Agradecimientos Para comenzar este proyecto, me gustaría agradecer a la empresa ICARE Automation el préstamo de los componentes integrados en la maqueta expuesta en este documento, así como darme la oportunidad de trabajar y aprender de ellos y aportar la documentación y medios necesarios para el correcto desarrollo de este trabajo. También agradecer a mi tutor D. Alberto Herreros López por su implicación, que se ha prestado a dirigir el desarrollo del mismo, aportando su elevada experiencia a la hora de estructurar y presentar el trabajo. A mis colegas, junto a los que llevo desde prácticamente el colegio, y con los que he compartido horas de estudio, exámenes, clases y laboratorios, que han ayudado a que existan muy buenas experiencias que recordar a lo largo de estos años de aprendizaje, y que los momentos más duros hayan sido mucho más llevaderos. A mis amigos y familia, por ser el pilar fundamental de mi día a día fuera de la rutina de la universidad, por darme el cariño y la confianza necesarios para afrontar cualquier situación a lo largo de mi vida, además de la oportunidad de dedicarme a lo que verdaderamente me haga feliz. Y en especial a mis padres, a quienes seguro les hará mucha ilusión leer esta cita. Gracias. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 3 Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 4 Resumen El presente Trabajo de Fin de Grado pretende plasmar los conocimientos adquiridos en el grado de Ingeniería Electrónica Industrial y Automática, así como en las prácticas en empresa desarrolladas durante el proyecto. Se trata del análisis previo, realización del presupuesto, prototipado, montaje, programación y comunicación entre un PLC Simatic S7-1200 y el driver C5-E-2-09 de Nanotec, con el objetivo final del control del movimiento de una rueda a través del motor de corriente continua DB59, también de Nanotec. El citado PLC está programado desde TIA Portal, y la comunicación entre éste y el driver se realiza a través de la pasarela PN/CAN Link de Siemens, que permite pasar de ProfiNet a CANopen, protocolo utilizado por el driver. El objetivo de este trabajo, así como sus líneas futuras de investigación, es el desarrollo de un vehículo de guiado automático (AGV) con una rueda motriz y varias ruedas “locas”, que funcione mediante unos pulsadores y pueda ser integrado en un entorno real, tanto en el sector automovilístico como en otros sectores. Palabras clave PLC, Driver, PN/CAN Link, Motor, CANopen, Siemens, Nanotec, TIA Portal, AGV Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 5 Abstract The aim of the actual Final Degree Project is to put into practice the knowledge acquired throughout the Industrial Electronic and Automatic Engineering degree, but also on the internship during the project. It involves the previous analysis, budgeting development, prototyping, assembly, programing and communication between a S7-1200 Simatic PLC and the C5-E-2-09 driver from Nanotec, with the final objective of controlling the wheel movement through a DB59 direct current motor from Nanotec too. The aforementioned PLC is programmed on TIA Portal, and communications between PLC and driver are carried out through Siemens´ PN/CAN Link gateway which allows passing from ProfiNet to CANopen, the protocol used by the driver. The final objective of this work, as well as its future lines of research, is the development of an automatic guided vehicle (AGV) with one drive and several "idle" wheels which can be integrated into a real environment, both in the automobile sector and in other ones. Key words PLC, Driver, PN/CAN Link, Motor, CANopen, Siemens, Nanotec, TIA Portal, AGV Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 6 Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 7 Índice de contenidos Capítulo 1. INTRODUCCIÓN....................................................................................... 17 1.1 Motivación, origen y justificación del proyecto.........................................17 1.2 Objetivos.............................................................................................................18 1.3 Fundamentos previos......................................................................................18 1.4 Alcance del proyecto........................................................................................19 1.5 Estructura del trabajo......................................................................................19 1.6 Convenciones................................................................................................... 20 Capítulo 2. MARCO TEÓRICO.................................................................................... 22 2.1 Robótica............................................................................................................. 22 2.1.1 Historia de la robótica............................................................................ 22 2.1.2 Robótica industrial................................................................................. 22 2.1.3 Definición y clasificación de robots manipuladores industriales24 2.2 Automatización................................................................................................27 2.2.1 Historia de la automatización..............................................................27 2.2.2 Automatización industrial...................................................................29 2.2.3 Controlador lógico programable (PLC)............................................. 30 2.3 Comunicaciones industriales........................................................................32 2.3.1 Niveles de comunicación en una red industrial................................33 2.3.2 Protocolos de comunicación industrial.............................................34 2.3.3 ProfiNet (PN)........................................................................................... 35 2.3.3.1 Funciones de seguridad PROFIsafe............................................ 37 2.3.4 CANopen...................................................................................................38 2.3.4.1 Introducción a CAN........................................................................38 2.3.4.2 Protocolo CANopen.......................................................................38 Capítulo 3. ESTADO DEL ARTE................................................................................. 43 3.1 Antecedentes.....................................................................................................43 3.2 Análisis del problema.....................................................................................45 3.3 Nanotec..............................................................................................................45 3.3.1 Plug & Drive Studio (PnDS)...................................................................46 3.3.1.1 Setup..................................................................................................49 3.3.1.2 Operation......................................................................................... 50 3.3.1.3 Object dictionary.............................................................................52 3.4 Siemens............................................................................................................. 54 3.4.1 TIA Portal..................................................................................................55 3.5 PN/CANopen Link........................................................................................... 60 Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 8 3.5.1 CANopen Transparent........................................................................... 60 3.5.2 CANopen Master.....................................................................................60 3.5.3 CANopen Slave.........................................................................................61 3.6 Schneider...........................................................................................................61 3.6.1 Elementos de potencia.......................................................................... 62 3.6.2 Elementos de control............................................................................ 62 Capítulo 4. OBJETO DE ESTUDIO.............................................................................66 4.1 Introducción.....................................................................................................66 4.2 Componentes...................................................................................................66 4.2.1 Rueda motriz...........................................................................................66 4.2.2 Motor DC. Frenos y encoder................................................................ 68 4.2.3 Driver.........................................................................................................71 4.2.4 Autómata programable (PLC)............................................................. 73 4.2.5 Módulos adicionales de entradas y salidas...................................... 74 4.2.6 Pasarela (PN/CAN Link)........................................................................75 4.2.7 Fuente de alimentación.........................................................................75 4.2.8 Contactores............................................................................................. 76 4.2.9 Pulsadores. Selectores. Setas de emergencia...................................77 4.2.10 Caja estanca........................................................................................... 77 4.2.11 Cables RJ45 y D-SUB9..........................................................................78 4.2.12 Carril DIN............................................................................................... 79 4.2.13 Borneros para carril DIN.....................................................................79 4.3 Proceso de montaje.........................................................................................80 4.4 Conexionado.....................................................................................................81 4.4.1 Componentes de Siemens.....................................................................82 4.4.2 Componentes de Nanotec.................................................................... 84 4.4.3 Botonería................................................................................................. 86 4.4.4 Esquema eléctrico completo...............................................................88 4.5 Desarrollo en TIA Portal v17.........................................................................89 4.5.1 Autómata programable (PLC)..............................................................89 4.5.1.1 Main [OB1]....................................................................................... 94 4.5.1.2 Main_Safety_RTG1 [FB0]...........................................................94 4.5.1.3 FBmanual [FB1]..............................................................................95 4.5.2 Pasarela (PN/CAN Link). Protocolo CAN...........................................95 Capítulo 5. ESTUDIO ECONÓMICO.........................................................................104 5.1 Costes directos................................................................................................104 Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 9 Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 16 Capítulo 1. INTRODUCCIÓN 1.1 Motivación, origen y justificación del proyecto El campo de trabajo del grado de Ingeniería Electrónica Industrial y Automática abarca numerosas áreas, como son la automatización, la robótica o el control de procesos. Fueron estos sectores de aplicación los que me motivaron a tomar la decisión de ingresar en el grado, pues siempre he tenido una inclinación hacia el ámbito de la robótica industrial. Durante el transcurso del mismo he tenido la oportunidad de cursar diferentes asignaturas que han contribuido en mi curiosidad y formación en estos ámbitos, como pueden ser Automatización Industrial, Sistemas Robotizados, Visión Artificial o Mecatrónica, desde un enfoque más mecánico. Tanto la automatización como la robótica son dos ramas que están estrechamente unidas en varios sectores de la industria, pues para conseguir el control de los robots se necesita, en muchos casos, el empleo de autómatas programables (entre otros dispositivos); esta es una de las razones por las que desarrollar un proyecto relacionado con las mismas me parece de gran interés. Además, estas preferencias me han llevado a realizar las prácticas en ICARE Automation, empresa que me ha brindado la posibilidad de realizar el presente Trabajo de Fin de Grado, con el objetivo de plasmar los conocimientos y las habilidades adquiridas durante las mismas. Esta empresa está centrada en aspectos como: - Los estudios y la realización de equipos eléctricos y neumáticos - La puesta en servicio de sistemas automatizados - La robótica industrial - La concepción y la realización de automatismos industriales El proyecto tiene su origen en las tareas realizadas durante este período, con la intención de desarrollar un proyecto similar a los que realiza la empresa, o que pueda ser útil para la misma. Por ello la idea es conseguir el prototipo de un futuro vehículo de guiado autónomo (AGV) a partir de los componentes eléctricos y electrónicos de los que disponen en sus instalaciones, como son: un driver, motor y rueda de Nanotec; un PLC Simatic S7-1200 y la pasarela Simatic PN/CAN Link para conectarlos a través del protocolo de comunicaciones CANopen. También contará con diferentes elementos eléctricos de potencia y control para su manejo. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 17 Por lo tanto, a lo largo de los capítulos de esta memoria se van a exponer y analizar los pasos seguidos para llevar a cabo el desarrollo del proyecto señalado anteriormente, así como los costes derivados del mismo, y las referencias bibliográficas que se han consultado. También se extraerán conclusiones del resultado y se indicarán las posibles líneas futuras de investigación dedicadas al mismo. 1.2 Objetivos - Diseño y desarrollo de un proyecto real que incorpore distintas ramas de la ingeniería. - Montaje y conexionado de diferentes elementos eléctricos y electrónicos. - Realización de los correspondientes esquemas eléctricos asociados. - Configuración y programación de un PLC. - Puesta en marcha del driver de un motor de corriente continua para el movimiento de una rueda integrada. - Configuración del protocolo de comunicaciones CANopen para el intercambio de información entre el PLC y el driver. 1.3 Fundamentos previos Para la ejecución de este proyecto no se parte de cero; son necesarios conocimientos previos que se han ido adquiriendo a lo largo del grado cursado, y puestos en práctica en las horas compartidas con la empresa del sector mencionada. Estos fundamentos teóricos están relacionados con la robótica, el control de procesos, la automatización o las comunicaciones, todas ellas en un ámbito industrial. En la asignatura de Automatización Industrial se aprendieron las bases del software TIA Portal de Siemens empleado en el desarrollo de este trabajo. Además, esta asignatura es un primer contacto con el mundo de la automatización industrial a través de PLCs mediante su programación en TIA Portal. Otra de las asignaturas del grado cuyos fundamentos teóricos han sido de utilidad en el desarrollo del presente trabajo es Mecatrónica. En este caso se trata más bien de los conocimientos prácticos adquiridos durante la misma, necesarios para realizar un correcto montaje y conexionado de los diferentes componentes eléctricos y electrónicos que se verán más adelante. El objetivo final de esta asignatura era el mismo que en este caso: realizar un programa que, a fin de cuentas, controle el driver de un motor. Finalmente, para la realización de la parte de comunicación entre el PLC y el driver quiero destacar los conocimientos adquiridos en la asignatura de Control y Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 18 Comunicaciones Industriales. Esta asignatura está dividida en dos grandes bloques: por un lado la parte de comunicaciones industriales, donde se estudia la historia y los aspectos más destacados de los protocolos de comunicación empleados en el sector. Y por otro lado, el bloque de control de estos protocolos desde un enfoque más computacional. Algunos de los protocolos que se ven en el bloque de comunicaciones son ProfiNet y CANopen, que son los empleados en el PLC, pasarela y driver del motor de corriente continua del proyecto realizado. El hecho de tener una base sobre los mismos antes de empezar a desarrollar mis estudios han sido de gran utilidad para saber sus características y por dónde empezar. 1.4 Alcance del proyecto Como se ha comentado previamente, el presente trabajo va a documentar el proyecto realizado, el cual consiste en un estudio previo, montaje, conexionado, programación y puesta en marcha de diferentes dispositivos electrónicos, como son el driver de un motor y un PLC de Siemens, unidos por el protocolo de comunicación CANopen mediante una pasarela PN/CAN Link. Para ello se debe hacer uso de diferentes softwares como Plug and Drive Studio, para la puesta en marcha del driver del motor; TIA Portal, para la configuración y programación del PLC y de la pasarela; y Cade Simu, para realizar los esquemas eléctricos. 1.5 Estructura del trabajo La estructura relativa al informe del proyecto está dividida en 7 capítulos de la siguiente manera: - En el capítulo 1 se hace una breve presentación del mismo, comentando aspectos introductorios como son el origen del proyecto, la motivación para realizarlo o los objetivos planteados. - En el capítulo 2 se analiza el marco teórico del tema que se va a tratar. Se comentan los fundamentos de la robótica y la automatización industrial, así como su fuerte correlación. También se mencionan los diferentes tipos de protocolos de comunicaciones industriales existentes, haciendo hincapié en ProfiNet y CANopen. - En el capítulo 3 se introduce el problema y se hace un análisis de los posibles precedentes. También se introducen las marcas de componentes de automatización industrial empleadas en el proyecto, como son Siemens, Nanotec y Schneider; y se comentan los aspectos más importantes de sus Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 19 respectivos software, así como los diferentes modos de configuración de los componentes que serán usados más adelante. - En el capítulo 4 se concretan los apartados anteriores con el objeto de estudio en cuestión. Se hace referencia a los componentes utilizados, al proceso de montaje, de conexionado y a la configuración y programación de la pasarela y del PLC llevada a cabo en TIA Portal. - El capítulo 5 consiste en un estudio económico del proyecto. Este no es un apartado técnico, pero es considerado de interés analizar el impacto económico de cualquier proyecto real. El desglose realizado permite diferenciar los costes directos e indirectos. - En el capítulo 6 se incluyen las pruebas y resultados del proyecto. - En el capítulo 7 se establecen las conclusiones en torno a los objetivos previamente asignados, y las posibles futuras líneas de investigación del prototipo desarrollado. - Finalmente se incorporan las referencias bibliográficas que se han consultado para el desarrollo del trabajo, y los anexos. 1.6 Convenciones A continuación se presentan una serie de formalidades y normas tanto de redacción como de estructuración que se han seguido a lo largo del proyecto. - Se ha desglosado el índice en tres partes: índice de contenidos, índice de figuras e índice de tablas, en ese orden. - Los apartados principales de la memoria se han presentado como capítulos, con sus correspondientes subapartados. - Se ha respetado una página en blanco entre capítulos. - Las palabras en otros idiomas, como por ejemplo el inglés, usadas en la memoria (excepto en títulos) se escriben en letra cursiva. - Se resaltan en negrita las palabras clave de una sección, por comodidad a la hora de la lectura del mismo. - Las citas incluídas se representan entre corchetes y se listan en la bibliografía final del proyecto, según el estilo IEEE. - El nombre de los autores mencionados, al igual que las referencias a otros apartados de la memoria, aparecen subrayados. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 20 Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 21 Capítulo 2. MARCO TEÓRICO 2.1 Robótica La robótica es una disciplina que se enfoca en el diseño, construcción, programación y operación de robots, es decir, sistemas automatizados capaces de realizar tareas de manera autónoma o semiautónoma. Los robots pueden ser controlados por un ser humano o por otros sistemas de control, y se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones en sectores como la industria. 2.1.1 Historia de la robótica El término ‘robot’ tiene sus orígenes en la palabra ‘robota’, procedente del checo, cuyo significado es trabajo forzado o servidumbre. Sin embargo, el origen etimológico de la palabra se remonta a 1920, cuando el dramaturgo de origen Checo Karel Čapek (1890-1938) presenta su obra Rossum’s Universal Robots (R.U.R). En esta obra aparece la figura de un robot como una herramienta diseñada por una empresa para aligerar la carga de trabajo que recae sobre los humanos [1]. No obstante, fue el escritor Isaac Asimov (1920-1992) el máximo impulsor de la palabra robot. En 1945 publicó una historia en la que por primera vez enunció sus tres leyes de la robótica [1]. 1. Un robot no hará daño a un ser humano ni, por inacción, permitirá que un ser humano sufra daño. 2. Un robot debe cumplir las órdenes dadas por los seres humanos, a excepción de aquellas que entren en conflicto con la primera ley. 3. Un robot debe proteger su propia existencia en la medida en que esta protección no entre en conflicto con la primera o con la segunda ley. Estas leyes, a pesar de su origen ficticio, en la actualidad se tienen en cuenta por toda la comunidad científica dedicada a la robótica. Es por ello que se le atribuye a Asimov y a su obra literaria la creación de este término, que ha contribuido decisivamente a la divulgación y difusión del sector. 2.1.2 Robótica industrial Una vez establecido un precedente histórico que nos lleva al origen de la palabra robot, conviene centrarse en su importancia a nivel de la industria. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 22 En 1954 Goertz hizo uso de la tecnología electrónica y el servocontrol para conseguir sustituir la transmisión mecánica por una eléctrica, creando el primer telemanipulador con servocontrol bilateral [1]. Ralph Mosher, ingeniero de la empresa americana General Electric, desarrolló en 1958 un dispositivo formado por dos brazos mecánicos teleoperados por un maestro denominado exoesqueleto. Este dispositivo recibió el nombre de ‘Handy-Man’ [2]. Junto a la industria nuclear, a lo largo de los años sesenta la industria submarina comenzó a interesarse por el uso de telemanipuladores. A este interés se sumó la industria espacial en los años setenta. No obstante, la aplicación y evolución de los telemanipuladores quedó fijada a estos sectores sin poder expandirse debido a que era necesario el mando continuo de un operador. Esto provocó la necesidad de sustituir el operador por un programa de ordenador que controlase los movimientos del manipulador, lo que dio paso al concepto de robot [1]. En el año 1954 el inventor George Charles Devol desarrolló un primitivo brazo programable que podía ser utilizado para realizar tareas específicas. Este brazo artificial denominado ‘Unimate’ es considerado el primer robot industrial [1]. Devol fundaría Unimation en 1960, junto a Josep Engelber, empresa dedicada al desarrollo de máquinas con enfoque puramente industrial. Estos dos acontecimientos suponen el origen de la robótica industrial. Figura 2.1: Robot UNIMATE A partir de este momento surge un número interminable de proyectos que mejoran a los anteriores, llegando hasta la actualidad, momento en el que la robótica es un campo en constante evolución y crecimiento, con un gran potencial para mejorar la eficiencia y la precisión en una amplia gama de aplicaciones. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 23 Pese al desarrollo y expansión de la robótica en la industria, no existe una definición universal como tal, siendo por lo tanto las diferentes organizaciones nacionales e internacionales quienes imponen sus propias definiciones del concepto de robot industrial. No obstante, es común la aceptación de robot industrial como un brazo mecánico que tiene capacidad de manipular objetos y que incorpora un control de mayor o menor complejidad, incluyendo el principio de secuenciación y retroalimentación que permita proporcionar movimientos rápidos y precisos. 2.1.3 Definición y clasificación de robots manipuladores industriales Dentro de los robots industriales, los más comunes son los manipuladores, entendiéndose estos como máquina de manipulación automática, reprogramable y multifuncional con tres o más ejes que puedan posicionar y orientar materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales para la ejecución de trabajos diversos en las diferentes etapas de la producción industrial, ya sea en una posición fija o en movimiento [1]. Estos mecanismos poseen las siguientes características que determinan su funcionalidad: • Grados de libertad (GDL): cada uno de los movimientos independientes que puede realizar una articulación de un robot, respecto de la anterior. Determina su capacidad para orientar herramientas [3]. • Área de trabajo: Volumen espacial al que puede acceder el extremo del robot, sin tener en cuenta la herramienta [3]. • Resolución, precisión y repetibilidad. Figura 2.2: Resolución, precisión y repetibilidad Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 24 • Capacidad de carga: Máximo peso en carga que un robot es capaz de manipular a una velocidad determinada y considerando la configuración menos favorable [3]. • Velocidad: Cómo de rápido puede moverse un robot. Es un dato importante para los tiempos de ciclo, e influye en otros parámetros como la carga o la precisión (más velocidad, menos capacidad de carga o precisión) [3]. • TCP: tool center point. Punto central de la herramienta. Es el punto cuyas coordenadas se almacenan en el programa. Se pueden definir varios, uno por cada herramienta [3]. • Puntos singulares: Puntos del espacio de trabajo del robot sobre los que no es posible realizar una trayectoria rectilínea, ya sea porque implica una velocidad infinita en el movimiento o porque el valor de los ejes en dichos puntos es indeterminado. Se suele dar cuando dos o más ejes se alinean [3]. Atendiendo a estas características, podemos realizar una clasificación de los diferentes tipos de robots manipuladores. • Vehículo de guiado automático (AGV). Son robots que se comportan como vehículos autónomos, principalmente destinados al transporte de materiales dentro de un entorno industrial [4]. Figura 2.3: VehÍculos de guiado automático (AGVs) • Robot antropomórfico. También denominados robots articulados, son los más utilizados en los procesos de fabricación. Se utilizan para realizar operaciones más complejas como la soldadura, el montaje de productos y el mecanizado. Las herramientas de fin de brazo montadas en robots articulados están diseñadas para tener 6GDL [4]. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 25 Por otro lado, los PLC tienen dos modos de funcionamiento claramente destacados: modo RUN y modo STOP. • Modo RUN. También llamado Modo de Ejecución. En este modo se ejecuta el programa almacenado en la memoria de programa citada y el PLC monitorea constantemente las entradas para detectar cambios. Si se detecta algún cambio, el PLC realiza las acciones necesarias en función del programa. La ejecución en modo RUN se realiza de forma cíclica, ejecutando ciclos de ‘scan’ (entendiendo por ‘scan’, o ciclo de trabajo, al grupo de tareas que un autómata ejecuta en un ciclo para llevar a cabo el control del proceso) de forma indefinida. El ciclo de trabajo más común tiene la siguiente estructura: Figura 2.11: Esquema del ciclo de ejecución típico de un PLC • Modo STOP. También llamado Modo de Programación. De este modo se genera el programa que se quiere ejecutar, y se traspasa desde la herramienta software de edición al PLC para su ejecución. 2.3 Comunicaciones industriales El hecho de incorporar elementos robóticos con el fin de automatizar los procesos productivos de las industrias, implica la incorporación de una gran variedad de dispositivos mecánicos, eléctricos y electrónicos encargados de su control y supervisión, que tienen que comunicarse para conseguir un buen funcionamiento de la planta. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 32 Entendemos por comunicaciones industriales al conjunto de herramientas, métodos y sistemas que nos permiten que dichos elementos transmitan el mismo tipo de información, y de forma fiable, para conseguir controlar el desarrollo de un proceso industrial en tiempo real. 2.3.1 Niveles de comunicación en una red industrial Una factoría se suele jerarquizar, desde el punto de vista de las redes de comunicaciones, en diferentes niveles en función de la velocidad de respuesta y el volumen de datos. El objetivo final es que la información fluya entre ellos. Figura 2.12: Pirámide CIM [9] • Nivel de entradas y salidas. Nivel en el que se sustenta la pirámide CIM; está formado por los elementos que están en “contacto” con las piezas del proceso industrial, como son los sensores para recoger información, y los actuadores para realizar las acciones pertinentes. • Nivel de campo y proceso. Este nivel está constituído por los sistemas que adquieren la información de los sensores y actuadores y gestionan sus acciones, además de facilitar la transmisión de información al nivel superior a través del bus de campo. Si combinamos este nivel y el inferior tendremos un nivel de supervisión suficiente para un proceso industrial de una pequeña factoría. • Nivel de control. Nivel formado por los elementos informáticos que controlan el proceso de automatización y que permiten la visualización de las diferentes tareas que conforman el mismo, mediante paneles virtuales como puede ser un SCADA. Para ello se emplean redes de área local (LAN) mediante cable Ethernet, mayoritariamente. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 33 • Nivel de gestión. Nivel más alejado del proceso productivo que recopila información, normalmente en ordenadores, de todos los niveles inferiores con el objetivo de realizar estadísticas para tomar decisiones empresariales para la optimización del proceso. El tipo de comunicaciones que se emplean aquí no son tan robustas y con tiempos de respuesta tan cortos, como puede ser WAN Ethernet. A medida que descendemos en la pirámide, disminuye la cantidad de información intercambiada pero aumenta la velocidad de transmisión de la misma. 2.3.2 Protocolos de comunicación industrial Históricamente, uno de los mayores problemas con los que se ha encontrado el mundo de la industria automatizada es la integración de los diferentes componentes que son necesarios para realizar el proceso productivo. Los dispositivos son puestos a la venta por diferentes fabricantes que emplean protocolos que no son iguales en muchos casos, lo cual complica el diseño de una red de comunicaciones que sea capaz de compatibilizar la información existente entre los diferentes sistemas. Hoy en día se hace uso de un gran número de protocolos de redes de comunicación industrial. Vamos a hablar de los más relevantes. • Industrial Ethernet. No es un protocolo como tal; se trata de un término genérico que se aplica a cualquier enfoque que trata de adoptar Ethernet a su uso en un entorno industrial. Los usos más destacados son [10]: -ProfiNet y ProfiBus. Hablaremos de ellos más adelante en el apartado 2.3.3. ProfiNet (PN), por ser uno de los protocolos empleados en el proyecto. -ModBus. Protocolo basado en el acceso al medio maestro-esclavo para la comunicación entre dispositivos dentro de una misma red. Existen diferentes “versiones” del protocolo, como son ModBus serial RS-232 o RS-485, o ModBus TCP/IP que incorpora la capa física Ethernet. -Ethernet IP. Plantea la utilización de un protocolo de aplicación sobre la pila TCP/IP, por encima de Ethernet, denominada CIP (Common Industrial Protocol) empleada también en DeviceNet. No aporta mejoras desde el punto de vista de las restricciones temporales [10]. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 34 -EtherCAT. Protocolo creado originalmente para dotar a Ethernet de características en “tiempo real”, de tal manera que pueda ser empleado en aplicaciones de automatización en plantas industriales. El método de acceso al medio es mediante maestro-esclavo y no incorpora CIP [10]. • Comunicación serial. No es un protocolo, sino un sistema de comunicación bus muy sencillo que consiste en transmitir los datos de forma que los bits se envían uno a uno a través del mismo canal, en lugar de enviarlos todos juntos a la vez. Se implementa a través de protocolos como RS-232, RS-422 y RS-485 y la comunicación es bidireccional por el mismo cable. Algunos de los protocolos que usan este sistema son: -AS-i. Bus muy simple para automatización que combina potencia y datos sobre los mismos cables, orientado a la transmisión de datos asociados a señales binarias. -DeviceNet (CAN + CIP). Protocolo de comunicación basado en el bus de campo CAN, del que hablaremos más adelante, cuya principal característica es que añade sobre este el nivel de aplicación CIP, lo que facilita su integración con otras redes como Ethernet/IP. Está orientado a la industria de procesos [10]. -CANopen (CAN + nivel de aplicación). También dedicaremos un apartado específicamente para este protocolo. Ver apartado 2.3.4.CANopen. -ModBus también emplea comunicación serial. 2.3.3 ProfiNet (PN) Se trata de un protocolo de comunicación con grandes ventajas para la automatización industrial, ofreciendo alta velocidad y rendimiento. Esto lo hace adecuado para aplicaciones que requieren una comunicación precisa en tiempo real. Está dividido en 3 clases o perfiles diferentes [10]: - PROFINET Clase-C: este perfil destaca por soportar tráfico isócrono (IRT), que es la capacidad para asegurar que la información se va entregando de forma regular y sin retardos [10]. - PROFINET Clase-B. También se denomina PROFINET Real Time (PROFINET RT) pues incluye procedimientos para la gestión de tráfico en tiempo real [10]. - PROFINET Clase-A: permite la integración con ProfiBus mediante proxys y puentes Ethernet. No aborda restricciones temporales [10]. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 35 Como hemos comentado, PROFINET a su vez está pensado para implementar ProfiBus. ProfiBus. Es un bus de campo que se emplea para la comunicación de los sensores y actuadores de la pirámide CIM, basada en la tecnología RS-485 y dividido en 3 perfiles: FMS, DP y PA. - FMS (FieldBus Message Specification): Orientado al intercambio de información estructurada entre PLC´s, controladores… Actualmente está obsoleto [10]. - DP (Descentralized Peripheral): Orientado a la conexión con dispositivos de campo. Está orientado a industrias genéricas discretas [10]. - PA (Process Automation): Es la versión intrínsecamente segura del DP, orientado a su uso en el control de procesos. Un mismo cable se emplea para alimentación y para transmisión de datos [10]. Figura 2.13: Perfiles FMS, DP y PA [10] El bus ProfiBus está dividido en estaciones activas y estaciones pasivas. El método de acceso al medio consiste en un “bus con paso de testigo” (Token Bus) entre las estaciones activas, y maestro-esclavo (Master-Slave) entre las estaciones pasivas. Es decir, el testigo se va pasando entre las estaciones activas de tal manera que cuando un usuario (una estación activa) del bus lo recibe, queda autorizado para actuar como maestro, que por sondeo pregunta a sus esclavos si desean transmitir información. El tiempo durante el cual puede hacer esto se denomina “tiempo de retención de testigo”. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 36 Figura 2.14: Método de acceso al medio de bus de campo de ProfiBus [10] 2.3.3.1 Funciones de seguridad PROFIsafe PROFIsafe (PROFINET + safety) es una extensión del protocolo de comunicación industrial PROFINET empleada para aplicaciones de seguridad en funciones como la automatización industrial, que permite la transferencia segura de datos. El papel de PROFIsafe es por tanto reducir al mínimo la posibilidad de un funcionamiento incorrecto de los sistemas de control, entendiéndose este como un error no detectado que pueda desembocar en una situación no segura para la maquinaria y para el personal [11]. PROFIsafe tiene una probabilidad de error no detectado menor de 1 error por cada 109horas de operación, es decir, cumple con el nivel de integridad de seguridad 3 (SIL3 - Safety Integrity Level 3), la cual exige menos de 1 error no detectado por cada 107horas de operación. Existen 4 niveles SIL. Se menciona esta extensión del protocolo pues el PLC empleado en el proyecto es un autómata de seguridad. Los PLC de seguridad incorporan muchas funciones que no están disponibles en un autómata de propósito general, como pueden ser: - Autodiagnóstico del hardware y software para detectar cualquier fallo interno, y en caso de que ocurra, actuar llevando la máquina a una situación segura. - Monitoreo constante de los dispositivos conectados, lo que les permite detectar de manera casi inmediata cualquier evento peligroso. - Protección contra acceso no autorizado, mediante por ejemplo contraseñas. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 37 2.3.4 CANopen CANopen es un protocolo de comunicaciones basado a su vez en el protocolo CAN (Controller Area Network). Es por ello que inicialmente se procede a hacer una breve introducción a este, con el objetivo de entender las bases sobre las que se sustenta, y posteriormente se detallará cómo se implementa la pila CANopen. 2.3.4.1 Introducción a CAN Fue desarrollado por Bosch a mediados de los años 80 en el sector automovilístico con el objetivo de reducir el cableado de los vehículos, y desde los años 90 es estándar internacional (ISO 11898) [10]. Desde entonces es ampliamente usado en otro tipo de aplicaciones como equipos electrónicos o sistemas de automatización. Algunas de sus ventajas son: - Es un sistema barato y ligero. - Trabaja con el broadcasting: cuando un nodo conectado a la red manda un mensaje, este es recibido por todos los nodos a la vez. - Cuenta con una buena gestión de errores en la comunicación, que permite comprobar si el mensaje enviado fue transmitido correctamente a su nodo. - Tiene un sistema de prioridad basado en un identificador único en la red, de tal manera que cuanto menor es su valor, más prioridad tiene [10] Figura 2.15: Acceso al bus simultáneo de tres nodos CAN [10] 2.3.4.2 Protocolo CANopen Como se ha introducido previamente, CANopen es un estándar de comunicaciones basado en el protocolo CAN. Originalmente se desarrolló para el control de máquinas motrices, aunque rápidamente se extendió su uso en múltiples aplicaciones. Fue en 1994 cuando se publicó la primera especificación CANopen, la CiA 301 [12]. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 38 Figura 2.16: Protocolos CAN y CANopen en el modelo OSI Su método de acceso al medio consiste en un maestro-esclavo en el cual existe un único maestro y uno o varios esclavos. El maestro siempre inicia las comunicaciones con los esclavos, además de supervisar el funcionamiento de estos y proporcionar información acerca de su estado. A continuación se comentan algunos de los aspectos más importantes de este protocolo [12]. • Object Dictionary. Todo dispositivo CANopen debe incorporar un “Diccionario de objetos” que actúa como interfaz entre el bus CAN y la aplicación. Este diccionario es único y básicamente describe el funcionamiento del dispositivo que lo incorpora, mediante la información necesaria sobre las variables o tipos de datos que soporta el dispositivo. • Node ID. Todo dispositivo conectado a una red CANopen debe tener un identificador numérico (Node Identification) que es único en la red, de tal manera que cuanto menor es su valor, más prioridad tiene. • Service Data Objects (SDO). Objetos usados para configuración del dispositivo, así como leer y escribir datos poco relevantes del diccionario de objetos de un dispositivo conectado a la red. Es por ello que son mensajes de baja prioridad. - La comunicación para las SDOs es de cliente-servidor, de tal forma que si un cliente requiere información, enviará una solicitud a través de una SDO de COB-ID de 600h+NodeID (ver figura 2.17), mientras que la respuesta se enviará a través de un COB-ID de 580h+NodeID. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 39 • Process Data Objects (PDO). Objetos usados para transmitir información en tiempo real sobre el proceso en cuestión. La comunicación para las PDOs es de un único productor (maestro) y uno o varios consumidores (esclavos). Su principal ventaja respecto a las SDOs es una mayor velocidad y prioridad. - Existen dos tipos de PDOs: los TPDOs, que es información del productor a los consumidores; y las RPDOs, que son mensajes acerca del estado del proceso de los consumidores al productor. - Así mismo, existen dos métodos de transmisión de las PDOs: síncrona mediante una señal SYNC; o asíncrona, mediante eventos o temporizadores. Figura 2.17: Descripción de los diferentes COB-ID en CANopen Figura 2.18: Estructura de la trama de datos en CAN [COB-ID] Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 40 • Network Management (NMT). Parte del protocolo encargada de garantizar el correcto funcionamiento de la red, que consiste en una máquina de estados que define el comportamiento del dispositivo en cuestión. Cuenta con tres estados principales: - Inicialización (Initializing): Estado de inicio tras encender un dispositivo, durante el cual se transmite un mensaje de encendido (boot-up). -Pre-Operacional (Pre-Operational): Durante este estado el dispositivo puede comunicarse con cualquier tipo de mensajes excepto con PDOs. -Operacional (Operational): Cuando el dispositivo se encuentra en este estado ya está debidamente configurado y en funcionamiento, listo para enviar y recibir PDOs. -Detenido (Stopped): La comunicación está inactiva y no se pueden transmitir SDOS ni PDOs, tan solo NMT. Además, para implementar el protocolo CANopen es estrictamente necesario elegir una forma de monitorización de los nodos, es decir, de realizar un seguimiento de los dispositivos conectados para comprobar periódicamente si estos están respondiendo. Las dos formas posibles son: -Heartbeat: Consiste en que los nodos envían un mensaje o pulso (Heartbeat) cada cierto período, de tal manera que si el maestro detecta que uno de los pulsos no ha sido recibido, interpretará que ha existido un fallo con el nodo en cuestión. - Node Guarding: En este caso es el máster el que solicita información periódicamente de cada uno de los nodos vía RTR. De la misma manera anterior, si uno de los nodos no respondiera a la solicitud sería interpretado como que existe un fallo en el protocolo. Figura 2.19: Espacio de identificación de CANopen Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 41 - Object dictionary Muestra todos los objetos del diccionario con su valor correspondiente. Ver el apartado 3.3.1.3 Object dictionary para más información [19]. - Motor turning Permite ajustar los parámetros del controlador del motor para que se ajuste de manera óptima a las necesidades de la aplicación [19]. - Oscilloscope Muestra los valores de los objetos del diccionario a lo largo del tiempo [19]. -NanoJ (esta opción, debido al tamaño de la pantalla, no aparece directamente en la figura 3.5) Permite escribir programas que son ejecutados en el controlador [19]. - More+ El resto de herramientas están listadas en este menú. Por ejemplo, una línea de comando para leer y escribir objetos en el objeto de diccionario (Object Dictionary script console) [19]. Además existe otro cuadro de opciones que nos muestra el modo de operación en el que nos encontramos, el estado actual del controlador, los bits de la palabra de control y de estado, y los posibles errores. Figura 3.6: Menú del controlador en PnDS (II) Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 48 3.3.1.1 Setup Todos los parámetros que pueden ser modificados en este apartado se encuentran por categorías. Cada categoría está representada por una etiqueta. Cuando se realiza un cambio en la interfaz del programa, el nuevo valor no se aplica directamente al controlador. En su lugar, un icono aparece indicando en qué etiqueta se han producido cambios. El mismo icono aparece también en el botón de “Apply”, que es el botón que se debería de pulsar a continuación a menos que se quieran aplicar diferentes cambios a la vez [19]. Figura 3.7: Menú Setup de PnDS (I) Aplicar cambios implica mandar los nuevos valores al controlador, convirtiéndose en “Active settings”. En el momento en el que queramos salvar estos valores, se pueden hacer permanentes pulsando el botón de “Save” [19]. Cada campo en las etiquetas del modo “Setup” representa un objeto o parte de uno en el diccionario de objetos. Algunos de los campos no se pueden modificar debido a que son de solo lectura, es decir, sus valores están derivados del valor de otros objetos, o simplemente no son relevantes. Si colocamos el cursor por encima de las etiquetas se nos muestra el índice y subíndice del objeto al que representa. Figura 3.8: Menú Setup de PnDS (II) Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 49 3.3.1.2 Operation Configurar el modo de operación del controlador es similar a cambiar su “Setup”. Existen 4 modos de operación: Posición, velocidad, torque y homing. El primero de ellos, “Profile Position”, nos permite detener el movimiento del motor cuando este alcanza una determinada posición. Este modo de funcionamiento incorpora otras funcionalidades, bastante intuitivas y cuya explicación se resumen en su traducción del inglés, como son las de la figura 3.9. Figura 3.9: Opción de “Profile Position” de PnDS Destacar las siguientes: - Posición actual, gracias al encoder incorporado. - Posibilidad de añadir un “Set Point”, con diferentes modos de alcanzarlo (ver figura 3.9). - Contar pulsos del encoder de manera relativa o de manera absoluta. - Sentido de giro del motor. Figura 3.10: Opción de “Profile Position” de PnDS Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 50 Las funcionalidades de control de velocidad y aceleración de “Profile Position” también están disponibles en el modo de funcionamiento de “Profile Velocity” de la figura 3.11. El programa nos permite jugar con parámetros como la velocidad que se quiere alcanzar, la aceleración y deceleración y los valores límite de estas. Figura 3.11: Opción de “Profile Velocity” de PnDS Al igual que en los casos anteriores, el menú de “Profile Torque” permite establecer un valor de torque a alcanzar por el motor, entre otras opciones. Figura 3.12: Opción de “Profile Torque” de PnDS Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 51 Y finalmente, la opción de “Homing” del programa. Este modo de funcionamiento mueve el motor en una dirección específica hasta que alcanza un límite físico o un sensor, lo que indica que ha alcanzado el punto de origen o "home". Una vez se ha detectado este punto de origen, el sistema puede utilizar esta información para controlar la posición y el movimiento futuro del motor con mayor precisión. Figura 3.13: Opción de “Homing” de PnDS 3.3.1.3 Object dictionary La tabla del diccionario de objetos hace una lista de todos las entradas de objetos con sus respectivos nombres, valores, tamaño (tipo), número de índice y subíndice y tipo de acceso. Solo se pueden editar los valores en binario, decimal o hexadecimal. Solo las entradas con tipo de acceso de escritura o lectura/escritura son editables, y los valores serán escritos en el momento de pulsar la tecla Enter del teclado. Si se quieren refrescar los valores de la tabla por completo, se debe hacer click en el botón con dos flechas en forma de círculo [19]. Figura 3.14: Menú Object Dictionary de PnDS (I) Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 52 Se puede realizar un filtrado de los objetos mostrados en la tabla haciendo click con el botón derecho del ratón en cualquier sitio de la tabla y seleccionando la opción “Select Predefined Filter”. Figura 3.15: Menú Object Dictionary de PnDS (II) En la parte superior de la ventana emergente se puede seleccionar el filtro. En la parte inferior se muestra una lista de entradas recogidas por este. Figura 3.16: Menú Object Dictionary de PnDS (III) Para eliminar el filtro se debe hacer click derecho en cualquier sitio de la tabla y seleccionar la opción “Clear Filter”. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 53 También se pueden hacer búsquedas concretas mediante la barra de buscador de la parte superior, como por ejemplo los objetos relacionados con parámetros CAN. Figura 3.17: Menú Object Dictionary de PnDS (IV) La tabla entera puede ser salvada en el PC y cargada otra vez. Los botones para llevar a cabo estás acciones son los de la figura 3.18. Figura 3.18: Menú Object Dictionary de PnDS (V) Existe un menú mencionado previamente que es el “Object Dictionary script console”, que consiste en una línea de comandos donde leer y escribir los valores de los objetos. El archivo a guardar de la figura 3.18 emplea el mismo formato que la consola, por lo que una alternativa para cargar el archivo es copiar el contenido o parte de él en la misma [19]. 3.4 Siemens Siemens AG es una empresa alemana fundada en 1847 por Werner von Siemens y Johann Georg Halske en Berlín. Desde entonces, la compañía ha crecido y se ha expandido a nivel mundial, convirtiéndose en la mayor empresa de fabricación industrial de Europa y una de las empresas líderes en tecnología y automatización industrial. Su área de aplicación se extiende a 4 sectores: industrial, energético, de Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 54 infraestructuras y ciudades pero es la sección de automatización industrial la más destacada. En las décadas de 1960 y 1970, Siemens desarrolló una serie de innovaciones en automatización industrial, incluyendo el primer controlador programable de lógica (PLC) y el primer sistema de control distribuido (DCS). Hoy en día, la sección de automatización industrial ofrece una amplia gama de productos y soluciones para el sector, incluyendo controladores, sistemas de visualización, accionamientos y motores, y software de automatización. La compañía también ofrece servicios de consultoría y soporte para ayudar a sus clientes a implementar y mantener sistemas eficientes y efectivos. 3.4.1 TIA Portal TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) es una plataforma de software de ingeniería de automatización desarrollada por Siemens. Es una herramienta integral que permite diseñar, programar, configurar y mantener sistemas de automatización de manera eficiente, como PLCs, interfaces hombre-máquina, accionamientos y actuadores… TIA Portal permite además conectar dichos dispositivos en una misma vista de proyecto y configurarlos de manera adecuada según las necesidades de esta. Para toda versión de TIA Portal existen dos tipos de vistas: vista del portal y vista del proyecto (Portal View y Project View en inglés). Figura 3.19: TIA Portal V17. Vista del portal Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 55 Figura 3.20: TIA Portal V17.Vista del proyecto La vista del portal (figura 3.19) se suele emplear para crear nuevos proyectos y añadir los componentes usados o bien abrir proyectos existentes. Si creamos un proyecto nuevo debemos darle un nombre y una ruta para almacenarlo. La plataforma dispone de una gran base de datos con todos los dispositivos de Siemens disponibles, de entre los cuales deberán agregarse los que se quieran utilizar, especificando su versión de firmware. Cuando se hayan agregado, se verán en el propio árbol del proyecto (figura 3.20) y estarán listos para su configuración/programación. Figura 3.21: TIA Portal V17. Añadiendo el PLC y la CPU utilizados Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 56 La vista del proyecto (figura 3.20), desde la cual se trabaja, está dividida en diferentes secciones cuyas funcionalidades más importantes son las siguientes: • Barra de Herramientas. En verde tenemos las funcionalidades relacionadas con el proyecto actual; de izquierda a derecha: crear proyecto, abrir proyecto, guardar proyecto, cortar, copiar, pegar, eliminar. En rojo tenemos las funcionalidades relacionadas con con la simulación o funcionamiento real del dispositivo; de izquierda a derecha: compilar, cargar en dispositivo, subir de dispositivo, iniciar simulación, establecer/deshacer conexión online (para poder visualizar el valor de las variables del dispositivo en tiempo real). En azul tenemos las funciones que tienen que ver con la puesta en marcha/pausa del dispositivo; de izquierda a derecha: ver dispositivos accesibles, poner CPU en modo RUN, poner CPU en modo STOP. Figura 3.22: TIA Portal V17. Barra de herramientas • Árbol del Proyecto. Muestra la estructura jerárquica de un proyecto. Es decir, muestra todos los elementos de este, como dispositivos, redes, programas, bloques de función, entre otros. Se utiliza para organizar y gestionar todos los elementos del proyecto en una estructura clara y accesible. Figura 3.23: TIA Portal V17. Árbol del proyecto Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 57 Figura 3.32: Despiece de seta de emergencia con doble conexión Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 64 Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 65 Capítulo 4. OBJETO DE ESTUDIO 4.1 Introducción En este capítulo profundizaremos en el proyecto mecatrónico/robótico que se ha desarrollado. Por el lado de la mecánica tenemos una rueda de 140 mm de diámetro, en cuyo eje se incorpora un motor de corriente continua sin escobillas que la hace girar. El motor, a su vez, tiene incorporados un encoder que suministra retroalimentación al sistema de control de lazo cerrado, relacionado con el movimiento de rotación del eje; y unos frenos para el motor. Por parte de la automática/robótica incorporamos un autómata programable (PLC) SIMATIC S7-1200 que nos permitirá controlar el movimiento del motor a través de diferentes pulsadores y selectores, gracias al programa que se ha desarrollado y que será detallado más adelante en este documento. Finalmente, y para establecer conexión entre ambos grupos, contamos con una pasarela SIMATIC PN/CAN Link que nos permite pasar del protocolo de comunicación PROFINET (PN) propio del PLC, al protocolo CANopen del driver del motor. También incorporamos diferentes elementos de seguridad tales como dos contactores y una seta de emergencia, además de una fuente de alimentación de 24V para todo el circuito. 4.2 Componentes 4.2.1 Rueda motriz El accionamiento de este proyecto es una rueda en cuyo eje se integra el motor que se hará rotar, y por consiguiente obligará a la rueda a girar. Algunas de sus características principales están recogidas en la tabla 4.1. Referencia WD14050-5616-23X Diámetro de la rueda 140 mm Ancho de la rueda 50 mm Capacidad de carga 400 Kg Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 66 Torque medio de salida 24,6 Nm Torque máximo de salida 39,4 Nm Velocidad máxima de entrada 5968 rpm Momento de inercia 32 Kg mm2 Grado de protección IP IP54 Material de la rueda Vulkollan Ratio de reducción 16 Eficiencia 94% Peso 3,8 Kg Rango de temperaturas de operación desde -15 a +90ºC Tabla 4.1: Datos técnicos de la rueda WD14050-5616-23X de Nanotec En la figura 4.1 se muestra un despiece de la misma: 1. Recubrimiento del segundo satélite. 2. Segundo satélite. 3. Primer satélite. 4. Anillo de rodamientos de bolas, y rueda. 5. Soporte de montura. Figura 4.1: Despiece de la rueda WD14050-5616-23X de Nanotec Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 67 4.2.2 Motor DC. Frenos y encoder El elemento del montaje encargado de hacer girar la rueda anterior es el motor DB59L024035-A de Nanotec. Se trata de un motor de corriente continua sin escobillas (Brushless Direct Current - BLDC) síncrono de corriente trifásica. Este tipo de motores se denominan así porque en muchas ocasiones reemplaza a los motores de corriente continua con escobillas (o motores de conmutador). Funciona de la siguiente forma: el rotor sigue un campo de rotación magnético y el movimiento es síncrono con el voltaje de corriente alterna aplicado a los devanados. Algunas de sus características principales son: Referencia DB59L024035-A Tipo de motor NEMA 23 Tamaño 56 mm Potencia nominal 172 W Voltaje nominal 24 V Torque nominal 47 Ncm Torque máximo 141 Ncm Corriente nominal 9.4 A Corriente máxima 28 A Velocidad nominal 3500 rpm Inercia del rotor 119 gcm2 Resistencia linea a linea 0,22 Ohm inductancia linea a linea 0,29 mH Longitud 73,6 mm Peso 0,72 Kg Tabla 4.2: Datos técnicos del motor DB59L024035-A de Nanotec Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 68 En la figura 4.2 aparecen dos motores: el modelo DB59L024035-A y el modelo DB59L024035R-A, cuya única diferencia es que este último incorpora una terminación en forma circular, mientras que el primero cuenta con ella en forma cuadrada. Figura 4.2: Motores DB59L024035-A (derecha) y DB59L024035R-A (izquierda) Además, el propio fabricante proporciona la opción de combinar sus productos, permitiendo la compra del motor con accesorios como el freno BWA (Figura 4.3) o un encoder (Figura 4.4). Figura 4.3: Freno BWA de Nanotec En el caso del freno, sus características están recogidas en la tabla 4.3. Referencia BWA 1,5-6,35 Voltaje de operación 24 V Potencia nominal 11 W Torque que retiene 150 Ncm Diámetro de la asta 6,35 mm Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 69 Tamaño 51,5 mm Momento de inercia 10 Kg mm2 Centro Taladro ø6,35 H7 con 2 tornillos prisioneros M3x5 Cierre 2 tornillos M4 (BWA 1,5-6,35) Conexión L = 300 mm Tiempo de desconexión 30 ms Tiempo de encendido 100 ms Peso 0,3 Kg Tabla 4.3: Datos técnicos del freno BWA de Nanotec Por el lado del encoder, este nos permite convertir el movimiento del motor en una señal eléctrica que será leída por el dispositivo de control (lazo cerrado) que incorpora el propio motor. De esta manera, recogemos datos de la posición, velocidad, aceleración o dirección. Figura 4.4: Encoder NME1 y conectores ZK-NME1-13-500-S de Nanotec Para la conexión del encoder con el driver, se emplea el modelo de cable ZK-NME1-13-500-S. Para mayor información sobre la asignación de cables, ver el apartado 4.4 Conexionado. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 70 Las características técnicas del encoder son las siguientes: Referencia NME1-UVW-T14 Tipo de señal producida Incremental Resolución 1024 CPR Diámetro de la asta 5 mm Voltaje de operación 5.00 - 24.00 V Frecuencia límite 500 KHz Consumo de corriente 30 mA Nivel de la señal baja:<2.0 V (@l_load=20 mA) alta: VCC-0.2 V (@l_load=20 mA) Velocidad límite 30000 RPM Temperatura de operación -20ºC - 80ºC Corriente máxima de salida por canal 70 mA (@Vcc=5 V, Vout=3 V), 90 mA (@Vcc=24 V, Vout=18 V) Humedad max. 90 % (no condensation) Temperatura de almacenamiento -40 °C - 85 °C Tabla 4.4: Datos técnicos del encoder NME1 de Nanotec 4.2.3 Driver Se trata del elemento del montaje encargado de controlar el motor de corriente continua anterior, y en consecuencia, de hacer girar o no la rueda. Los driver en general son amplificadores de corriente cuya función es tomar una pequeña señal de control de baja corriente y convertirla en una señal de alta corriente que pueda alimentar el motor. La conexión con este último está detallada en el apartado 4.4 Conexionado de este documento. En este caso, este driver está pensado para la comunicación a través de CANopen con un elemento de mando como puede ser un PLC (empleado en este proyecto), aunque existen modelos muy similares del mismo fabricante con protocolos de comunicación diferentes. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 71 El driver además incorpora una conexión micro USB que permite conectarse al PC a través del software especializado de Nanotec comentado en el apartado 3.3.1 Plug and Drive Studio. Figura 4.5: Driver C5-E de Nanotec Las características técnicas del driver son las siguientes: Referencia C5-E-2-09 Protocolo de comunicaciones CANopen Interfaz USB Voltaje de operación 12 VDC - 48 VDC Corriente nominal (RMS) 10 A Corriente de pico (RMS) 30 A Motores compatibles Motores BLDC, motores paso a paso Número de entradas digitales 5 Tipo de las entradas digitales 5/24 V conmutable Número de entradas analógicas 2 Tipo de entradas analógicas 0 - 10 V, 0 - 20 mA / 0 - 10 V conmutable Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 72 Número de salidas digitales 3 Tipo de salidas digitales open-drain (max. 24 V/100 mA) Entrada para encoder Sí Tipo de señal del encoder Incremental Salida para frenos Sí Peso 0,27 Kg Rango de temperatura -10ºC - 40ºC Tabla 4.5: Datos técnicos del driver C5-E-2-09 de Nanotec 4.2.4 Autómata programable (PLC) Como se ha citado previamente, la definición de un Controlador Lógico Programable es un dispositivo electrónico utilizado para controlar procesos automatizados en una gran variedad de industrias. En el caso concreto de este proyecto se ha hecho uso de un SIMATIC S7-1200. Los modelos S7-1200 están muy extendidos actualmente. Las principales diferencias cuando cambiamos de la gama anterior (S7-400) a la gama S7-1200 son una mayor capacidad de procesamiento, mayor velocidad de comunicación, mayor cantidad de entradas y salidas, mayor capacidad de memoria, y una interfaz de programación más intuitiva. Figura 4.6: PLC SIMATIC S7-1200 con CPU 1215FC DC/DC/DC de Siemens Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 73 4.3 Proceso de montaje Para el proceso de montaje de los componentes mencionados en el apartado anterior, en primer lugar se ha adquirido una tabla de 60 x 86,5cm y de 1,5cm de espesor, en la cual se han emplazado los mismos. Los pasos seguidos para el montaje han sido los siguientes: 1. Anclaje del carril DIN. Se colocarán 3 carriles en total, de diferente longitud. Según la figura 4.16: - En el carril superior se sitúa la fuente de alimentación y bornes de tierra, bornes de alimentación positiva del circuito (24V) y bornes de alimentación negativa del circuito (0V). - En el carril del medio se sitúan los contactores y los elementos de Siemens (pasarela, PLC y módulos adicionales de E/S). - En el carril inferior se sitúa el driver y bornes para los cables salientes del encoder. 2. Montaje del motor de corriente continua en la rueda, y atornillado de esta a la maqueta. Colocación de los bornes y del driver en el carril DIN inferior. En este punto y a falta del conexionado, la parte de los componentes de Nanotec está completa. 3. Atornillado de las cajas estancas a la maqueta. Montaje de los pulsadores y selector. 4. Unión del PLC a los módulos adicionales de E/S mediante las patillas habilitadas para ello. Montaje del conjunto del PLC, la pasarela y los contactores en el carril DIN del medio. 5. Montaje de los bornes y la fuente de alimentación en el carril DIN superior. Puenteado de los mismos de tal manera que todos los bornes de alimentación positiva están conectados entre sí, y lo mismo con los de alimentación negativa. → Con esto conseguimos que solo se necesite un único cable saliente de la fuente de alimentación para alimentar todo el circuito con los 24V necesarios (ver apartado 4.4 Conexionado). En este momento todos los componentes están debidamente colocados y solo sería necesario su correcto conexionado. Así pues, una vez tenemos el montaje hecho podemos dividirlo en 4 zonas según el emplazamiento y la función de los componentes: -Zona I. Fuente de alimentación. -Zona II. Botonera (pulsadores, selector y contactores). -Zona III. Elementos de Siemens. PLC. -Zona IV. Elementos de Nanotec. Driver, motor y rueda. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 80 Figura 4.16: Montaje del proyecto, dividido por zonas 4.4 Conexionado El conexionado empieza con el suministro de corriente alterna de 230V a la fuente de alimentación usada. Esta, a su vez, permite conseguir los 24V necesarios para toda la circuitería eléctrica y electrónica del montaje. Debemos de alimentar a 24V: - PLC S7-1200. - Pasarela PN/CAN Link. - Módulos adicionales de entradas y salidas. - Driver del motor. - Pulsadores, selector, conmutadores y seta de emergencia. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 81 4.4.1 Componentes de Siemens Además cabe destacar que en el caso del PLC, tendremos tres conexiones a 24V, en lugar de simplemente una. Esto es debido a la siguiente asignación de pines: Figura 4.17: Asignación de pines del PLC El color rojo, representado por L+, indica el bornero de la alimentación positiva de 24V. En este caso, por tratarse de una CPU DC/DC/DC, la primera designación de DC indica que la alimentación debe ser de corriente continua (las dos siguientes designaciones DC se corresponden con un tipo de entradas y salidas de corriente continua). Este PLC cuenta con una fuente interna, por lo que una vez alimentemos por la primera borna de L+ podremos realizar el resto de alimentaciones de 24V a partir del mismo PLC. También debemos alimentar a 24V la borna 4L+ ya que queremos usar las salidas digitales del autómata. Por otro lado, el color azul clarito, que está representado por la letra xM (siendo x cualquier valor entero positivo), se corresponde con el borne de conexión negativa o 0V. Al igual que en el caso anterior, debemos conectar este borne siempre que queramos utilizar el conjunto de bornes a los que agrupa. Por ejemplo: Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 82 - El primer borne designado por la letra M es el de entrada de alimentación 0V del PLC. - El segundo borne con la letra M es la salida de 0V, al igual que nos sucedía con la salida de 24V del PLC. - El borne de 1M deberá de ser alimentado si queremos usar las entradas digitales. Lo mismo con los bornes 2M y 3M para las entradas y salidas analógicas (no usadas), y con el borne 4M para las salidas digitales. El color verde representa la tierra o masa, y su designación es un símbolo de tierra. Solo contamos con un borne de tierra en el conjunto del PLC. El color naranja ymorado son las entradas y las salidas digitales respectivamente, y el color blanco roto las entradas y salidas analógicas. Como veremos en el apartado 4.4.4 Esquema eléctrico completo, solo hemos usado 7 de las 14 entradas digitales disponibles, y 4 de las 10 salidas del mismo tipo. Y finalmente el color azul oscuro indica los puertos RJ45 de los que dispone el PLC, de los cuales emplearemos uno para conexión directa con el PC y otro para conectar el conjunto del PLC con la pasarela (y por consiguiente con el driver). La misma leyenda sirve para el módulo de entradas y de salidas adicionales, incorporando el color negro que indica que esa borna no tiene conexion interna. Usaremos 2 entradas y 2 salidas de estos elementos. Figura 4.18: Asignación de pines del módulo de entrada (izquierda) y salida (derecha) Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 83 #Nota: la posición de los bornes en comparación con la numeración escrita de sus nombres está ligeramente desplazada hacia la izquierda. En este punto se puede hacer una apreciación de interés, que es el por qué del uso de módulos adicionales si no estamos usando el 100% de las entradas y salidas del propio PLC, y por tanto no serían necesarias más. La explicación es puramente educativa y no tiene otro fin que aprender tanto a montar los correspondientes módulos en el PLC y en el carril DIN, como dotar al programa en TIA Portal de un aspecto más completo y similar al de una situación real industrial. Por parte de la pasarela, el color marrón clarito representa la conexión mediante el cable D-SUB de 9 pines que permite establecer el protocolo CANopen entre el driver y la pasarela PN/CAN Link. En este caso solo emplearemos una de las dos conexiones RJ45 con el fin de conectarnos al PLC mediante ProfiNet. Figura 4.19: Asignación de pines de la pasarela 4.4.2 Componentes de Nanotec Los elementos electrónicos de Nanotec incluídos en el montaje se encuentran conectados entre sí, y la única conexión con el resto del montaje que tienen, a excepción de la alimentación a 24V necesaria para el driver, es a través del cable RJ45 - DSUB9 que los permite comunicarse mediante el protocolo CANopen. No obstante, el driver también incorpora un cable USB - microUSB para la conexión directa con el ordenador en caso de no disponer de un PLC para su control. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 84 Como ya hemos comentado en el apartado 4.3 Montaje, el encoder y los frenos se encuentran atornillados al motor y este, a su vez, integrado en la rueda que se pretende mover. Por parte del encoder empleamos el antes mencionado conector ZK-NME1-13-500-S, cuya asignación de pines (13, de ahí su nombre) es la de la figura 4.20, que vemos que evidentemente se corresponde con la asignación de pines del encoder. Figura 4.20: Asignación de pines del conector (izquierda) y del encoder (derecha) Estos 13 pines del mismo cable deben ir conectados al pin designado como X2 del driver del motor, que recoge las conexiones del encoder y del sensor Hall (incluído en el anterior). La alimentación de 24V del driver la realizaremos por los pines +UB y GND del mismo, y la conexión CANopen mediante el pin de Fieldbus IN. Esto último es debido a que la configuración que adoptaremos para nuestro proyecto es tal que el driver del motor es el esclavo, a las órdenes del PLC. La comunicación es bidireccional luego a través del mismo puerto será también capaz de responder las peticiones del maestro. Figura 4.21: Asignación de pines del driver Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 85 Los cables del freno, también atornillado al propio motor, deben ir conectados al pin X4 del driver, a las conexiones de Brake+ y Brake-. Finalmente las conexiones del propio motor: los tres cables del círculo rojo (cables amarillo, rojo y negro de la figura 4.22) son los que deben ir conectados al pin X5, concretamente a las conexiones U, V y W respectivamente del driver. Por otro lado, los cables del círculo azul pueden no estar conectados pues estos pines ya están incluidos en las conexiones del driver. Figura 4.22: Asignación de pines del motor 4.4.3 Botonería Los pulsadores, selectores y seta de emergencia nos permiten enviar señales a nuestro PLC (entradas), a partir de las cuales este realiza una serie de operaciones en base a la programación realizada. El símbolo de los pulsadores y del selector NA empleados en el proyecto son los de la figura 4.23. Figura 4.23: Símbolo eléctrico de pulsador NA (izquierda) y selector NA (derecha) Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 86 Los pulsadores empleados cuentan además con una luz LED que puede ser activada con las salidas del PLC. Figura 4.24: Símbolo eléctrico de una bombilla También usamos una seta de emergencia, cuya activación provoca indirectamente que se activen los contactores y el motor se detenga. Por seguridad, algunos tipos de setas de emergencia cuentan con dos contactos, uno NA y otro NC, de tal manera que de cara a la programación tenemos una doble verificación del circuito de corriente para el funcionamiento del proyecto. Figura 4.25: Símbolo eléctrico de seta de emergencia Por parte de los contactores, cuentan con una bobina en su interior que al ser activada por un voltaje, hace conmutar sus conexiones internas. Es decir, el contacto NA (13-14 en la figura 4.25) pasaría a estar cerrado permitiendo el paso de corriente, mientras que el contacto NC (21-22) se abriría. La señal de activación de la bobina se denomina A1 y está conectada a una de las salidas del módulo adicional de salidas digitales del PLC. La salida A2 de la bobina cierra el circuito eléctrico (0V). Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 87 Figura 4.26: Símbolo eléctrico del contactor activo por relé Debido a que la seta de emergencia empleada cuenta con dos conexiones (NA y NC), también usaremos en este caso dos contactores cuya bobina o relé estarán activos por dos salidas diferentes del módulo adicional, pero conectados en serie de tal manera que será necesaria la activación de ambas salidas para permitir el paso de corriente. En caso de producirse esto, se activan las dos entradas correspondientes en el PLC que son las que gobernarán el resto de la lógica interna. Una vez más podemos hacer una apreciación importante: no es necesario enrevesar tanto el circuito eléctrico pues con una seta de emergencia de una única conexión (suelen ser un contacto NC) y un solo contactor tendríamos la misma función. Pero el circuito ha sido realizado de esta forma pues estamos trabajando con módulos de seguridad de Siemens, lo cual indica que este es un factor crítico para el usuario, y se ha considerado de importancia contar con dobles verificaciones para prevenir riesgos. No obstante también podríamos conectar directamente la conexión de la seta de emergencia a una de las entradas del PLC y omitir el uso de contactores, pero como se ha comentado, su empleo es debido a que estos cuentan con una mayor fuerza de corte de corriente que es importante a la hora de trabajar con motores de más voltaje. 4.4.4 Esquema eléctrico completo Acorde a las explicaciones hechas y con los símbolos eléctricos de las anteriores figuras, realizamos el esquema eléctrico del proyecto con todos los elementos incluídos en el mismo. Destacar que se han incluido fotografías para que su comprensión sea más fácil. Ver apartado Anexo III. Esquema eléctrico. - Las conexiones a 24V están representadas en rojo. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 88 - Las conexiones a 0V están representadas en negro. - Las conexiones a tierra están representadas en verde. - Las mismas en color azul indican conexiones RJ45 y D-SUB9. Figura 4.27: Esquema eléctrico del proyecto 4.5 Desarrollo en TIA Portal v17 4.5.1 Autómata programable (PLC) Como ya se ha comentado, el PLC utilizado en el proyecto es un S7-1200 de Siemens con CPU 1215 FC y conexión Profinet. A mayores, se le han añadido un módulo adicional de 16 entradas digitales y un módulo adicional de 4 salidas, también digitales. Existen tres lenguajes de programación de cara a la configuración de los autómatas en TIA Portal: • FUP: Diagrama de funciones. Se basa en los símbolos lógicos de funciones usados en el álgebra booleana. • SCL: Lenguaje estructurado. Lenguaje de programación basado en texto de alto nivel. • KOP: Esquema de contactos. Este lenguaje se basa en el diagrama de escalera o‘ladder’ que incluye segmentos compuestos por contactos y bobinas. En función Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 89 Se debe decidir el modo en el que queremos configurar la pasarela. Como se ha comentado previamente, la opción elegida es CANopen manager. Figura 4.35: TIA Portal. Modo de configuración de la pasarela (CANopen manager) A continuación añadimos un nodo universal a nuestra red CANopen, en el cual importamos el archivo .eds proporcionado por el fabricante. Este archivo contiene todos los datos relacionados, en este caso, con el driver como por ejemplo el modelo, su fabricante, la versión de firmware o las palabras que se van a intercambiar, recogidas en un diccionario de objetos general (Object dictionary-OD). Figura 4.36: TIA Portal. Importar archivo .eds al nodo universal Este proceso nos creará automáticamente en el nodo las PDOs que se van a intercambiar entre este (esclavo) y la pasarela (maestro), siendo únicamente necesario activarlas. Dichas PDOs pueden ser palabras que el nodo reciba o que el nodo envía, pues la comunicación es bidireccional mediante un único cable. Eso sí, dejando claro que siempre será el maestro el que inicie la comunicación. El procedimiento que se debe seguir es crear en el manager las mismas PDOs, pero en el sentido contrario de la comunicación, es decir, si se trata de una palabra que el nodo envía (“Send PDO”), en el manager se debe de recibir dicha palabra (“Receive PDO”), y viceversa. Para poder crear las PDOs, antes se deben de crear Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 96 las palabras que contendrá cada una de ellas, denominadas como “Transmit data object dictionary” o“Receive data object dictionary”. Estas se pueden crear arrastrando desde las herramientas de configuración específicas de la pasarela. Figura 4.37: TIA Portal. Creando las PDOs en el lado del maestro Para poder crear correctamente las palabras del OD, y por consiguiente las PDOs, es necesario que las características de las palabras en el lado del manager concuerden con las correspondientes en el lado del nodo: • COB-ID. Se puede decir que es la identificación de la PDO. Su formato siempre es el de un número (por ejemplo, 100) + el número de nodo. Hablaremos del número de nodo más adelante. • Formato. Por defecto de 11 bits. • Tipo de transmisión. Puede ser: - Síncrono. - Asíncrono. - Cíclico síncrono. - Acíclico síncrono. - Evento específico definido por el fabricante (del nodo). - Evento específico definido por la aplicación. En nuestro caso concreto, las PDOs que se crean al importar el .eds son de este último tipo. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 97 • Tipo de dato. Tamaño. Las empleadas en el proyecto son siempre Unsigned o Integer, variando el número de bits. Se asignan automáticamente unas direcciones de entrada o de salida en función del tamaño de la PDO (y de los OD que engloba). Transmit PDOs del nodo (luego necesario crear “Receive data OD” en el manager para agruparlos en las siguientes PDOs) PDO-001 COB-ID: 181 Índice OD Nombre Tipo de dato 6041.00 Statusword Unsigned 16 6061.00 Modes of operation display Integer 08 PDO-002 COB-ID: 281 Índice OD Nombre Tipo de dato 6064.00 Position actual value Integer 32 PDO-003 COB-ID: 381 Índice OD Nombre Tipo de dato 6044.00 Vl velocity actual value Integer 16 PDO-004 COB-ID: 481 Índice OD Nombre Tipo de dato 60FD.00 Digital inputs Unsigned 32 Tabla 4.7: Transmit PDOs del nodo Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 98 Receive PDOs del nodo (luego necesario crear “Transmit data OD” en el manager para agruparlos en las siguientes PDOs) PDO-001 COB-ID: 201 Índice OD Nombre Tipo de dato 6040.00 Controlword Unsigned 16 6060.00 Modes of operation Integer 08 3202.00 Motor drive submode select Unsigned 32 PDO-002 COB-ID: 301 Índice OD Nombre Tipo de dato 607A.00 Target position Integer 32 6081.00 Profile velocity Unsigned 32 PDO-003 COB-ID: 401 Índice OD Nombre Tipo de dato 6042.00 vl target velocity Integer 16 PDO-004 COB-ID: 501 Índice OD Nombre Tipo de dato 60FE.00 Digital outputs #1 Unsigned 32 Tabla 4.8: Receive PDOs del nodo Si todas estas PDOs definidas concuerdan en ambos lados de la comunicación, el software nos asignará automáticamente el elemento del bus CAN con el que serán intercambiadas. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 99 Figura 4.38: TIA Portal. Vista general de las Transmit PDOs del nodo Figura 4.39: TIA Portal. Vista general de las Receive PDOs del manager Figura 4.40: TIA Portal. Vista general de las Receive PDOs del nodo Figura 4.41: TIA Portal. Vista general de las Transmit PDOs del manager Tal y como se puede comprobar, las PDOs en ambos lados de la comunicación coinciden pues las características de todas ellas son las mismas. Cada PDO de las figuras anteriores contiene las palabras (OD) definidas en las tablas 4.7 y 4.8. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 100 Para acabar la configuración, se debe asignar un número de nodo (Node ID) para la pasarela y para el driver, y un valor para la velocidad de transmisión. Estos valores también deben coincidir en ambos elementos; en caso contrario, tendríamos un error de comunicación. Por ejemplo, para el caso del Node ID, asignaremos el valor de 1 al esclavo (al driver) y el valor de 2 al maestro (a la pasarela). Es por ello que las PDOs de las tablas 4.7 y 4.8 siempre acaban en 1. Por otro lado, el valor de la velocidad de transmisión la ajustamos a 1000 kbps, valor por defecto del driver (aunque podría ser otro). Para ajustar el valor del Node ID y de la velocidad de transmisión en el driver, debemos hacer uso de dos ruletas físicas especiales situadas en el lateral del mismo. Estas ruletas permiten asignar valores entre 0 y la letra F (en hexadecimal), de tal manera que la suma de ambos valores en hexadecimal dará un valor de Node ID y de velocidad de transmisión, según la siguiente figura. Figura 4.42: Tabla de los posibles valores de Node ID y velocidad de transmisión Comprobamos los valores que hemos asignado mediante el software del driver, Plug and Drive Studio, en el apartado de Object Dictionary. Figura 4.43: Valores de Node ID y velocidad de transmisión desde PnDS En TIA Portal debemos configurar los parámetros tanto del esclavo como de la pasarela. Nos aseguramos que estos valores sean los mismos, para que exista concordancia. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 101 Figura 4.44: TIA Portal. Valor de Node ID del esclavo Figura 4.45: TIA Portal. Valor de Node ID del maestro En este punto tenemos hecha la configuración para la comunicación CANopen en TIA Portal. Debemos activar los bits 0 y 2 del byte de control de la pasarela para ver si existen errores. Esto lo hacemos mediante el PLC, mediante una variable de memoria cualquiera (“Forzado Bit Configuración”). Por otro lado, el bit 1 de control lo usamos para resetear el bus en caso de existir errores en la comunicación. Figura 4.46: TIA Portal. Activar o desactivar bus de comunicación → Los fallos encontrados durante este proceso se comentarán en el apartado 6. Pruebas y resultados. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 102 Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 103 Capítulo 5. ESTUDIO ECONÓMICO Uno de los aspectos más importantes de la ingeniería a la hora de desarrollar diferentes proyectos, con el objetivo de rentabilizar al máximo su fabricación, es realizar un estudio económico del mismo. Se deben de tener en cuenta todos los costes involucrados en su proyección para conseguir el óptimo balance entre costes y gastos. En lo sucesivo se distinguirá entre dos tipos de costes, directos e indirectos, para terminar con una estimación del total. 5.1 Costes directos En este subapartado están incluídos todos los costes que guardan una relación estrecha con el resultado final del proyecto, así como costes del personal a cargo del mismo, costes del equipo y software necesarios y coste de materiales. 5.1.1 Costes de personal Se realizan los cálculos teniendo en cuenta el hecho que el proyecto en su totalidad ha sido realizado por un Ingeniero Técnico, concretamente de la especialidad de Electrónica Industrial y Automática. Se supone un sueldo bruto anual de 22.500€ para los recién egresados, como es nuestro caso, al que hay que sumar un porcentaje del 35% de cotización a la seguridad social. Por lo tanto, el coste anual del personal lo calculamos de la siguiente forma: (5.1) 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑒 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎𝑙 = 22. 500 · 1, 35 = 30. 375€ A continuación eliminamos del año laboral días festivos, vacaciones y fines de semana: Días festivos (Castilla y León) Días de fines de semana Días de vacaciones Total días no laborables Total días laborables 14 105 30 149 216 Tabla 5.1: Días laborables en Castilla y León para el año 2023 Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 104 Y teniendo en cuenta que la jornada laboral de un contrato general es de 8 horas diarias, calculamos el número de horas trabajadas en dicho año laboral: (5.2) 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑎𝑙 𝑎ñ𝑜 = 216 𝑑í𝑎𝑠 𝑎ñ𝑜 ·8 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑í𝑎𝑠 = 1728 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑎ñ𝑜 Nuestro objetivo es saber el coste por horas de la mano de obra: (5.3) 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑒 𝑝𝑜𝑟 ℎ𝑜𝑟𝑎 = 30.375 € 1728 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 = 17, 6 € ℎ𝑜𝑟𝑎 Obtenemos de la siguiente tabla las horas dedicadas a la totalidad del proyecto, desglosadas (aproximadamente) en las mismas dedicadas a cada apartado. Tarea Tiempo empleado Estudio inicial del problema 16 horas Formación (búsqueda de documentación) 16 horas Emplazamiento de los componentes y conexionado 40 horas Movimiento del motor 24 horas Programación del PLC 32 horas Configuración de la pasarela (PN/CAN Link) 96 horas Puesta a punto y corrección de errores 16 horas Documentación 60 horas TOTAL 300 horas Tabla 5.2: Desglose de tiempo dedicado al proyecto Concluimos entonces el coste del personal de la siguiente manera: (5.4) 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎𝑙 = 300 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 · 17,6 € ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 = 5280€ 5.1.2 Costes de equipo y software Se incluyen aquí tanto los costes del ordenador, como del software empleado. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 105 No obstante, seguimos encontrándonos con el mismo error. La solución pasa por realizar una correcta asignación de pines en el cable de comunicación CAN, tanto en el lado del driver (terminación RJ45), como en el lado de la pasarela (terminación D-SUB9). Figura 6.2: Asignación de pines en el lado del driver (RJ45) Figura 6.3: Asignación de pines en el lado de la pasarela (D-SUB9) Como se puede observar de las figuras anteriores, la asignación de pines no coincide en ambos lados del bus. Se procede a coger dos cabezales macho-hembra del cable D-SUB9 y ha realizar un conexionado manual, de tal forma que las señales de CAN_H,CAN_L,CAN_SHIELD yGND coincidan, para que se pueda transmitir la información. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 112 Figura 6.4: Cabezales hembra-macho de la terminación D-SUB9 Figura 6.5: Conexionado manual del cabezal hembra D-SUB9 Este es el mayor avance en cuanto a comunicación se refiere realizado en el proyecto; este último paso permite eliminar los errores de comunicación existentes al dar corriente al conjunto de los componentes. Es decir, gracias a esta modificación la pasarela y el driver están en condiciones de intercambiarse información, siempre y cuando se realice una correcta configuración de las palabras a intercambiar. No obstante, nos seguimos encontrando con errores en TIA Portal una vez activamos el bus CAN mediante los bits 0 y 2 del byte de control. En este caso, el error está provocado por la PDO 16#1020:16#1 (en hexadecimal). Figura 6.6: TIA Portal. Error con la PDO 16#1020:16#1 Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 113 Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 114 Capítulo 7. CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS 7.1 Conclusiones Tras finalizar el presente trabajo se quiere destacar, en primer lugar, la variedad de temas afines con la carrera que se han tratado en el desarrollo del mismo. Por la parte mecánica, se han llevado a cabo horas de taller para el correcto montaje de los componentes mediante los elementos de unión necesarios, desde la elección de la tabla de madera y su taladrado hasta el posterior emplazamiento de los dispositivos. Por la parte eléctrica: diferenciación por colores del tipo de cable según el voltaje, etiquetado del mismo, conexionado, incorporación de diferentes elementos de control y potencia y desarrollo del esquema eléctrico completo. Por la parte de la automática se ha trabajado con un PLC de Siemens visto en el grado como es el S7-1200, y se ha desarrollado su programación en el software TIA Portal, así que se han recordado conceptos de programación en lenguaje ladder adquiridos previamente. Por la parte de las comunicaciones industriales se ha tratado principalmente con ProfiNet, muy relacionado con el Ethernet empleado en las industrias 4.0; y con CAN y CANopen que es el protocolo que usan numerosos dispositivos electrónicos como por ejemplo algunos tipos de AGV. También se ha desarrollado un análisis económico del proyecto completo, por considerar de interés analizar el impacto económico de cualquier proyecto real. El desglose realizado permite diferenciar los costes directos e indirectos. Por último y como se va a ver en el siguiente apartado, el prototipo actual puede servir como punto de partida para futuros proyectos sobre el que realizar cambios y mejoras para ampliar las funcionalidades del mismo. Estos pueden estar relacionados tanto con la parte de montaje y conexionado eléctrico, como con la parte de programación del PLC y de las comunicaciones con el driver. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 115 7.2 Líneas futuras La principal línea de investigación en este proyecto es obvia: conseguir una comunicación completa y funcional entre el PLC y el driver del motor,a través de la pasarela. Destacar que algunas de las opciones que se van a comentar conllevarían asumir un coste económico que habría que valorar. Si se sigue con los estudios actuales, algunas posibles líneas de trabajo son: 1) CAN-Log. Como se ha comentado previamente, se ha contactado en numerosas ocasiones con los fabricantes de los componentes utilizados. Las últimas conversaciones con Nanotec en busca de soporte técnico siempre han acabado con una recomendación de usar el dispositivo USB-to-CAN V2 de la empresa IXXAT [21]. Este dispositivo se conecta al bus CAN y permite monitorizar los mensajes (PDOs y SDOs) que se transmiten por el mismo, con su tiempo de envío/recepción y realizando filtros de selección, pudiendo así diagnosticar los errores existentes en la comunicación. El dispositivo incorpora además un software compatible con el Plug and Drive Studio de Nanotec. La manera de añadir dicho dispositivo a nuestra red CAN actual es sencilla: únicamente deberemos conectar el pin Fieldbus Out del driver al adaptador, y este a nuestro PC. De esta manera tendremos acceso a la información transmitida a través del bus. Aunque este componente ayudaría notablemente a conseguir nuestro cometido, no ha sido utilizado debido a su coste económico (+400Є). 2) ET 200SP CM CAN. Otra opción es la posibilidad de cambiar el dispositivo que nos conecte el PLC con el driver. En este documento se han detallado los pasos seguidos para la pasarela Simatic PN/CAN Link, sobre la cual se ha encontrado sorprendentemente poca bibliografía. Por ello se contempla emplear el Simatic ET 200SP CM CAN [22], un dispositivo también de Siemens sobre el que parece existir más información relacionada con su funcionamiento. Algunas de las ventajas que proporciona este componente respecto del actual, es la incorporación de una biblioteca de Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 116 funciones ya desarrolladas para programar los diferentes Nodos que se conecten a la misma. Por otro lado, esto implicaría un coste económico similar al del CAN-Log, además del previo desmontaje de la pasarela actual y el posterior montaje de la nueva, con su consiguiente configuración desde cero para nuestro proyecto. 3) Sin modificar componentes. Evidentemente se puede conseguir una comunicación con los componentes actuales, sin la necesidad de contar con nuevos dispositivos. Las líneas de investigación en este contexto se deben centrar en solucionar el problema relacionado con las PDOs que provocan los errores actuales, así como una posible futura reprogramación del código. 4) AGV. Como se ha comentado a lo largo de esta memoria, el objetivo final de este proyecto es un vehículo de guiado automático. Evidentemente para conseguirlo, lo primero que se debe de abordar es solucionar los errores y alcanzar la plena comunicación entre los componentes. Una vez en este punto, se debe recolocar la rueda motriz actual en la parte inferior de la tabla (para que se pueda mover), y se pueden incluir mejoras como añadir ruedas “locas” a la maqueta, que permitan el movimiento del prototipo en varios ejes. También se puede incluir un sistema para que la rueda, y por tanto el AGV, vayan siguiendo una banda magnética del suelo. Este sistema implicaría el uso de la visión artificial, y ya lo incorporan grandes factorías del sector automovilístico como por ejemplo Renault. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 117 Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 118 BIBLIOGRAFÍA/REFERENCIAS [1] A. Barrientos, L. Felipe Peñín, C. Balaguer y R. Aracil, FUNDAMENTOS DE ROBÓTICA, Madrid: McGraw-Hill, 1997. [Último acceso: 16 de mayo 2023]. [2] Introducción a la robótica, <<Campus Virtual Universidad de Valladolid, Escuela de Ingenierías Industriales: Introducción a la robótica, Juan Carlos Fraile, Valladolid, Septiembre 2022>> [Último acceso: 21 de mayo 2023]. [3] J. Ruiz-de-Garibay, «Robótica: Estado del arte» ACADEMIA. Accelerating the world research. [Último acceso: 16 de mayo 2023]. 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ESQUEMA ELÉCTRICO Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 133 ANEXO IV. FOTOGRAFÍAS Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 134 ANEXO V. HOJAS DE DATOS DE LOS COMPONENTES Dentro de anexos, en la carpeta “Datasheets”, se encuentran los archivos con información sobre los componentes utilizados en el proyecto. Comunicación entre PLC S7-1200 y driver C5-E-2-09 mediante protocolo CANopen para el control de un motor de corriente continua. 135