Armonizando la manera en que la gente ve el control

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GENIAEntornos Integrados de Automatización

Universidad de Oviedo - Area de Ingeniería de Sistemas y Automática

el futuro está aquí

Felipe Mateos MartínProfesor de la Universidad de Oviedo

Armonizando la manera en que la gente ve el control

Harmonizing the way people look tocontrol



Ficción?Imagine que

* está en control industrial* trabajando con 4 clases diferentes de controladores* usando diferentes dialectos en sus lenguajes de

programación* luchando strugling to match the level of your software

engineers with the electrical engineers / maintenance on the factory floor

* y viendo que la competencia lo hace mejor

Por qué? Cual es el problema?

2



Out of the jungle

La actual variedad de problemas puede reducirse ampliamente a través de la

estandarización

... and such a standard is available



IEC 1131-3“Lo mejor que ha ocurrido en

el control industrial”

Sugar Lantic en Automation Maillist

3



Las 5 partes del Estándar IEC 1131- 1 Visión General, Definiciones EI

- 2 Hardware EI

- 3 Lenguajes de Programación EI

- 4 Guías de Usuario

- 5 Especificación de Servicios de Mensajes

EI = Estándar Internacional



Lenguajes de Programación IEC 1131-3 /Industrial Control Programming

El interface entre el programador y el sistema de control

4



...con soporte para personas con diferentes niveles de formación

Lenguajes de Programación IEC 1131-3 /Industrial Control Programming



El Estándar IEC 1131-3

Elementos Comunes

Lenguajes de Programación

5



IEC 1131-3 : Elementos ComunesElementos Comunes

a.o.Tipos de Datos y Variables

• Representación simbólica vía etiquetas

• Area restringida para mapeo de I/O

• Independencia hardware del código

Qué es esto?

01010101 10101010





como:BOOLBYTEINTEGERREALDATETIME_OF_DAYSTRING

6



IEC 1131-3 : Elementos Comunes

Tipos de datos y Variables

además:

Sus propios tipos de datos





Configuración

Recursos

Tareas

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Modelo Software IEC 1131Configuración

Función de Comunicación



Modelo Software IEC 1131Configuración


Recurso Recurso

8



Modelo Software IEC 1131

Tarea Tarea Tarea Tarea

Recurso Recurso

Configuración





Control de la ejecución

Tarea

Programa Programa

Tarea

Programa

Tarea

Programa

Tarea

Recurso Recurso

Configuracion


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Vías de Acceso


FBTarea

Programa ProgramaFB FB

Tarea

Programa

Tarea

ProgramaFB FB

Tarea

Recurso Recurso

Configuración

Bloque Funcional




Variables globales y directas

Vía de Acceso


Variable vía de acceso

FBTarea


Tarea

Programa

Tarea

ProgramaFB FB

Tarea

Recurso Recurso

Configuración


Bloque Funcional

Variable

10



IEC 1131-3 vs PLC convencional

Variables Globales y Directas

Vía de Acceso


Variable vía de acceso

FBTarea


Tarea

Programa

Tarea

ProgramaFB FB

Tarea

Recurso Recurso

Configuración


Bloque Funcional

Variable



IEC 1131-3 : Elementos ComunesELEMENTOS COMUNES

a.o.Tipos de Datos & Variables

Configuración, Recursos, Tareas

Unidades de Organización de Programas

* Funciones

* Bloques Funcionales

* Programas

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Funciones …..* Funciones Estándar

ADD, SQRT, SIN, COS, GT, MIN, MAX, AND, OR, etc.

* Sus propias funciones: FUNCTION SIMPLE_FUN : REAL

VAR_INPUTA, B : REAL;C : REAL := 1.0;

END_VARSIMPLE_FUN := A*B/C;END FUNCTION



…. & Bloques Funcionales�Bloques Funcionales Estándar

FUNCTION_BLOCK

I NPUT OUTPUT IN_OUT EXTERNAL

LocalType

HysterisisQXIN1

XIN2EPS

BOOLREALREALREAL

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…. & Bloques Funcionales�Bloques Funcionales Estándar�Bloques Funcionales

suministrados adicionalmenteFUNCTION_BLOCK


LocalType

HysterisisQXIN1

XIN2EPS

BOOLREALREALREAL




suministrados adicionalmente�Sus propios Bloques

Funcionales

FUNCTION_BLOCK


LocalType

HysterisisQXIN1

XIN2EPS

BOOLREALREALREAL

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suministrados adicionalmente�Sus propios Bloques

Funcionales�Todos los FBs son altamente

reutilizables en el mismo programa, diferentes programas e incluso en diferentes proyectos

FUNCTION_BLOCK


LocalType

HysterisisQXIN1

XIN2EPS

BOOLREALREALREAL



Ejemplo de Bloque FuncionalHysterisis

QXIN1XIN2EPS

BOOLREALREALREAL

1

EPSEPS

0

XIN2

Q

14



Ejemplo de Bloque FuncionalFUNCTION_BLOCK HYSTERISISVAR_INPUTXIN1, XIN2 : REAL;EPS : REAL; (* Hysterisis band *)

END_VARVAR_OUTPUTQ : BOOL := 0

END_VARIF Q THENIF XIN1 < (XIN2-EPS) THENQ := 0 (* XIN1 decreasing *)

END_IF;ELSIF XIN1 > (XIN2 + EPS ) THENQ := 1; (* XIN1 increasing *)

END_IF;END_FUNCTION_BLOCK

HysterisisQXIN1

XIN2EPS

BOOLREALREALREAL

1

EPSEPS

0

XIN2

Q



Programas : diseño jerárquico

Automation

application

Start : BOOL;Emergency : BOOL;Limit : INT;

PROGRAM

GLOBAL

LocalType

FUNCTION

INPUT

LocalType

FUNCTION_BLOCK

INPUT OUTPUT IN_OUT EXTERNAL

LocalType

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IEC 1131-3 : Elementos ComunesELEMENTOS COMUNES

a.o.Tipos de Datos VariablesUnidades de Organización de Programas

* Funciones* Bloques Funcionales* Programas

Configuración, Recursos, Tareas

Cuadro Funcional Secuencial* Etapas* Transiciones* Bloques de Acción



Cuadro Funcional Secuencial, SFC�Potente técnica gráfica para

describir el comportamiento secuencial de un programa de control

�Se usa para particionar un problema de control

�Facilita el rápido diagnóstico de problemas en el algoritmo de control

Etapa 1 N FILL

Etapa 3

Etapa 2 S Empty

Transición 1

Transición 2

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Cuadro Funcional Secuencial, SFC� Potente técnica gráfica para

describir el comportamiento secuencial de un programa de control

� Se usa para particionar un problema de control

� Facilita el rápido diagnóstico de problemas en el algoritmo de control

� Los elementos son ETAPAS con BLOQUES DE ACCIÓN y TRANSICIONES

� Permite secuencias alternativas y paralelas

Step 1 N FILL

Step 3

Step 2 S Empty

Transition 1

Transition 2



SFC : Secuencias en paralelo

Etapa 1 N FILL

Etapa 3

Etapa 2 b S Empty

Transición 1b

Transición 2b

Etapa 2 a S Empty

Transición 1a

Transición 2a

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Elementos Comunes




Los Lenguajes de Programación IEC 1131-3

Lista de Instrucciones Texto Estructurado

Diagrama de Bloques Funcionales Diagrama de Escalera

C:= A AND NOT B

A B C

-| |--|/|----------------( )

LD A

ANDN B

ST C

ANDA C

B

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Diagrama de Escalera (LD)�Estandarizado, rationalized set of

relay ladder programming symbols�Based on well-known North american

style of programming, resembling US-type of electrical drawing standard

A B C

-| |--|/|----------------( )



Lista de Instrucciones (IL)�Single Accumulator based execution model�Basado en el Alemán “Anweisungsliste’, AWL�Una operación como almacenar un valor en el

registro acumulador es permitida por línea

LD A

ANDN B

ST C

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Texto Estructurado (ST)�Lenguaje de alto nivel, estructurado en bloques�Sintaxis parecida a PASCAL �Posibilidad de utilizar expresiones complejas e instrucciones

anidadas�Soporte para

� Bucles (REPEAT-UNTIL; WHILE-DO)� Ejecucion condicional (IF-THEN-ELSE; CASE)� Funciones (SQRT(), SIN())

C:= A AND NOT B



Diagrama de Bloques Funcionales (FBD)�Lenguaje gráfico ampliamente usado en Europa�Permite elementos de programa que aparecen como bloques

ser conectados en una forma análoga a un diagrama de circuito

�Se usa en muchas aplicaciones que implican el flujo de información o datos entre componentes de control

ANDA C

BQuímica

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Elementos Comunes


Top Down

Bottom Up



Entornos de Programación IECMuchos de ellos ofrecen:�Pantallas de programación

gráfica�Soporte para múltiples

ventanas�Operaciones con el ratón�Menús desplegables�Ayuda en línea�Verificación del software

durante el diseño

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Caraterísticas claves calidad IEC 1131-3�Software Estructurado - a través del uso de Configuraciones, Recursos y Unidades de Organización de Programa (POUs)

�Tipeado de Datos - a través de lenguajes que restringen las operaciones a los tipos de datos adecuados

� Control de la Ejecución - a través del uso de Tareas

� Comportamiento Secuencial Complejo - a través de los Esquemas Funcional Secuencial

� Encapsulación del Software - a través del uso de POUs, estructuras y tipos de datos complejos



Un ejemplo

Sistema de Control de Fermentación

cortesía de Omron Electronics

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Proceso de Fermentación

Heater band

Acidic reagent

Alkali reagent

Harvest valve

pH sensor

Temperaturesensor

Feed valve

Agitator



Fermentation control decomposition

• MainSequence e.g. top level process steps - filling, heating, agitating,fermenting, harvesting, cleaning.

• Valve control e.g. operating valves used to fill and empty the fermentation vessel

• Temperature control for monitoring the temperature of the vessel and modulating the heater.

• Agitator control for the agitator motor activated as demandedby the main process sequence.

• pH Control for monitoring the acidity of the fermentation contents and adding acidic or alkali reagents.

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Fermentation control programTempControl

MainSequence

FillState

Agitation

pH

PV

PV

PV

SetPoint

Temp

ValvePositions

AgitateSpeed

TempSensor

pHSensor

Duration

Stop

StartStart

Duration

Stop

pHControl

AddAlkaliAddAlkali

AddAcid

AddAcidSetPoint

AgitateControl

MotorSpeedMotorSpeedSetPoint

ValveControl

FillFill

HarvestHarvest

State

CoolCool

HeatHeat



Main sequence SFC N InitialisationS1

N FillingS2

N HeatingS3

N FermentingS4

N HarvestingS5

N CleaningS6

Shows the main process states

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Las Acciones y Transiciones

se pueden programar en

cualquiera de los cuatro


IEC 1131-3



¿Cual es el beneficio de este Estándar?

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Usuarios? Qué Usuarios?

Educación

InstalaciónMantenimiento

Programación

Process cntrlDiscrete Mnf

Integrador de sistemasUsted ??



Usuarios? Qué Usuarios?• Líneas de producción de automóviles

• Plantas de tratamiento de agua

• Industria de la alimentación

• Cable manufacturing

• Semi-conductor clean room automation

• Theme-park roller coasters

• Planta de tratamiento de residuos nucleares

• This wide range encompass different skills

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¿Cual es el beneficio de este Estándar?�Reduced waste of human resources (in training,

debugging, maintenance and consultancy)



¿Cual es el beneficio de este Estándar?� Reduced waste of human resources (in

training, debugging, maintenance and consultancy)

Creating a focus to problem solving via software re-usability(reduced application investment and supplier dependency)

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� Creating a focus to problem solving viasoftware re-usability (reduced application investment and supplier dependency)

Reduced misunderstandings and errors






� Reduced misunderstandings and errors

Programming techniques usable in more environments(general industrial control)

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� Reduced misunderstandings and errors � Programming techniques usable in more

environments (general industrial control)

Combining harmonously different components from differentlocations, companies or countries, or projects







environments (general industrial control)� Combining harmonously different

components from different locations,companies or countries, or projects

Increased connectivity (investment protection)

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environments (general industrial control)� Combining harmonously different

components from different locations,companies or countries, or projects

� Increased connectivity (investment protection)

Function "LIMIT"

Function "TEST"

Function Block"Turning"

Function Block"Feeding"

Function Block"Heating"

SoftwareLibrary



Ventajas para el nivel educativo

Los cursos de programación IEC 1131-3 son:

�Independientes del proveedor�Independientes del producto�Encaja mejor la teoría con la prácitca�Basados en técnicas de programación actuales y

pensamiento estructurado

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1993:

IEC 1131-3 is reality

as a paper standard

and now…...



.. El problema de la Gallina y el Huevo

Usuarios vs.

�Ven los beneficios del estándar�pero necesitan productos�que cubran sus necesidades

Proveedores

�uncertainty about its effect�elección estrátegica�high investment (SW + HW)�uncertain on ROI

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La Associación PLCopenStandardization in Industrial Control Programming

What does PLCopen want and do

and how does it effect you



La Tecnología necesita estandares

nadie / ninguna compañía

puede hacerlo por sí misma

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Cambio en la importancia de los estándares

Past Present Future

EstandaresInternacionalesEstandaresNacionalesEstandares deCompañías



La Misión de PLCopen

Queremos ser la asociación líder resolviendo temas relacionados con la

programación de controladores para apoyar el uso de estándares

internacionales en este campo.

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¿Y eso qué significa?

�Todos los miembros son iguales: un miembro = un voto�PLCopen se enfoca hacia servicios independientes no hacia

productos�Focus towards users’ awareness�Dedicación a los usuarios y proveedores miembros



Programando en su entorno

Database Tools Visualización / HMI Project designTools

DocumentationTools

ProgrammingTools

Debugging Tools

Networking Tools ConfigurationTools

Simulation Tools

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Organización

TECNICOS MARKETINGCOMITÉS

BOM, MD & General MeetingBOM, MD & General Meeting

TC1TC1 TC3TC3 TC4TC4 TC5TC5 PC2PC2 PC3PC3TC2TC2 PC4PC4PC1PC1

PLCopenStandardization in Industrial Control programming



TC1: Estándares

�IEC 1131-3 es mejorado con Corrigendum & Amendments�Development of joint PLCopen position for IEC�Comunicación de información desde IEC a PLCopen�Propuesta de mejoras�Focussed to upcoming update: end 1997

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TC2: Funciones

�Convenios de llamadas a Bloques Funcionales�Definición de librerías de Bloques Funcionales�… por ejemplo: Motion Control Profile: the integration of

different technologies



TC3 : La esencia de la conformaidadsin pruebas no hay estándar

�El estándar IEC 1131 solo da unas reglas básicas para la conformidad

�La certificación es una guía para los usuarios en el camino hacia sistemas de programación realmente conformes con IEC 1131-3 (p.e. PLCopen certifica la conformidad de los productos)

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TC3: Niveles de conformidad de PLCopen

ApplicationProgram

FB

Variable

CodeBody

FB

Variable

CodeBody

FB

Variable

CodeBody

ApplicationProgram

FB

Variable

CodeBody

FB

Variable

CodeBody

FB

Variable

CodeBody

Full Compliance LevelPortability of applications

Portability Level &X-Reusability Level

Portability of Function (Block)libraries

Base LevelPortability of minimal systems



Compliancy: Portability Level

Definition Portability Level

Portability Level provides the exchange ofFunctions and Function Blocks

between programming systems of different manufacturers,with the same functionality to the user

NB. this is NOT a part of IEC 1131-3

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Compliancy:Results and Status (Oct. ‘99)

�Accredition installed: two institutes accredited�Base Level definition ready for IL, ST and SFC. LD and FBD

in progress�Test software ready for IL, ST and SFC. FBD and LD in

preparation�17 software packages certified (see newsletter and website

for status)



Conformidad: Resultados

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Compliancy levels build a foundation for:�a common understanding of

automation system programming worldwide

� the development of new tools like additional programming languages

� the definition of function blocks for communication procedures independent of underlying bus sytems

� the creation of libraries, be it for special branch applications or forstandard solutions PLCopen Compliancy Levels

Com

mun

icat

ions

Libr

arie

s

Languages Sim

ulat

ion



TC4: Comunicaciones

�Interfaces de comunicaciones�Interfaces to add-on packages�Formato de intercambio entre aplicaciones�Se ha realizado el mapeo de Profibus�El mapeo de CANopen está en fase de realización

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TC5: Safe software guidelines

�Support for safe programming techniques�Focus to IEC 1508 “Functional Safety of Safety Related

systems”�Guidelines for the use of the IEC standard�Function Blocks can be certified�Basis for easier commissioning



General Promotion

�PC1: General Promotion�PC3: Promotion North America�PC4: Promotion Japan

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PC2: Common training program

�The effect of training is often underestimated�Standardization can be very usefull and provide a better

interface between study and reality�PC2 defined common basics for training..�.. for instance: a IEC 1131-3 training guideline is published�Training facilities fulfilling basic requirements can be

certified and listed / referenced to (see newsletter and website for listing)



PLCopen como una asociación de carácter mundial

�> 100 miembros (Oct. 1999)

�de 21 paises de todo el mundo

�Proveedores, Institutos y usuarios

�Visite PLCopen en Internet para una lista completa

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PLCopen as a World-wide association

Sede en Japon

Sede Principal en Europa

Sede en EE.UU.



PLCopenEelco van der Wal

P.O. Box 2015NL 5300 CA Zaltbommel

NetherlandsTel: 31-418-541139Fax: 31-418-516336

www.plcopen.orgemail: [email protected]

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PLCopen N.A.Jeremy Pollard

Barrie, Ontario, Canada

email: [email protected]

www.plcopen.org



PLCopen JapanYoshio Jamaguchi san3rd Floor, 3-61-8, WadaSuginami-kuTokyo 166, JapanTel: (+81) 3 3315 0194Fax: (+81) 3 3315 0192

www.plcopen.orgemail: [email protected]

43



La Asociación PLCopen

Juntos podemos hacer que suceda:

Estandarización en la programación industrial

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