FluidSim PLC

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica Unidad Adolfo Lpez Mateos.

Diseo de procesos electroneumticos en ambientes

virtuales usando una controlador lgico

programable Siemens.

T E S I S

Que para obtener el ttulo de ingeniero en:

Ingeniera en Control y Automatizacin

Presenta:

Vctor Ivn Manzano Osornio.

Asesores:

Ingeniero Antonio Arellano Aceves.

Ingeniero Humberto Soto Ramrez.

MXICO, D.F. 30 DE NOVIEMBRE DE 2011

Diseo de sistemas electroneumticos en ambientes virtuales.

: IN

DIC

E.

II

INDICE

Paginas

Objetivo general. 1

Objetivos particulares. 2

Planteamiento del problema. 3

Justificacin. 4

Introduccin. 5

Captulo 1 Marco terico. 7

1.1 Procesos de manufactura automatizados con electroneumtica 7

1.2 Dispositivos para automatizacin electroneumtica 9

1.2.1 Dispositivos electroneumticos 11

1.2.2 Controlador lgico programable (PLC) 14

1.2.3 Dispositivos de mando y seal 16

1.3 Mtodos para el diseo de secuencias electroneumticas 23

1.3.1 Mtodo cascada 23

1.3.2 Mtodo paso a paso 26

1.3.3 Metodologa de Grafcet 29

1.4 Servidor OPC. 36

Captulo 2 El software y su programacin. 39

2.1 FESTO FluidSim 39

2.2 Siemens STEP 7 50

2.3 Interfaz Hombre Mquina (HMI) 66

Captulo 3 Integracin de software mediante servidor OPC 72


: IN

DIC

E.

II

I

Captulo 4 Aplicacin y anlisis de los mtodos 90

4.1 Proyecto 1 Secuencia lineal corta. 90

4.2 Proyecto 2 Secuencia lineal larga. 98

4.3 Proyecto 3 Secuencia con repeticin de movimientos. 105

4.4 Proyecto 4 Secuencia con movimientos simultneos. 115

4.5 Proyecto 5 Secuencia con etapas temporizadas. 127

4.6 Proyecto 6 Secuencia con funcin selectiva. 134

4.7 Proyecto 7 Secuencia con posicin intermedia. 143

4.8 Comparacin de los mtodos de diseo. 152

Conclusiones. 155

Anexos. 156

Simbologa. 156

Pasar control por relevadores a programa de PLC usando el mtodo cascada. 159

Pasar control por relevadores a programa de PLC usando el mtodo paso a paso. 161

Bibliografas 164

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica.


1

Objetivo general:

Desarrollar el diseo de sistemas electroneumticos a travs de una metodologa prctica, y

mediante la integracin de softwares especializados como STEP 7, PLCSim y FluidSim,

verificar el correcto funcionamiento del proyecto.



2

Objetivos particulares:

1) Disear sistemas electro-neumticos aplicando metodologas prcticas como el mtodo cascada o el mtodo paso a paso. O bien aplicar la metodologa del Grafcet.

2) En cada mtodo utilizado, implementar la solucin aplicando un controlador lgico programable, de la marca siemens, con su software de programacin y simulacin

STEP 7.

3) Mediante un servidor OPC enlazar el software FluidSim, con el software STEP 7 y su simulador PLCSim. Verificar en un ambiente virtual el correcto funcionamiento

de la solucin propuesta.

4) Mediante un servidor OPC enlazar el software FluidSim con STEP 7, su simulador PLCSim, y su software de programacin Grafcet. Verificar en un ambiente virtual el

correcto funcionamiento de la solucin propuesta.

5) Llevar a cabo el desarrollo de una interfaz hombre mquina (HMI), para el monitoreo en un ambiente virtual del funcionamiento del proyecto

electroneumtico.

6) Desarrollar una metodologa para integrar en un solo sistema la simulacin electroneumtica (FluidSim), la simulacin del PLC (STEP 7 y PLCSim) y el

monitoreo en una interfaz hombre-mquina.

7) Desarrollar una metodologa para integrar en un solo sistema la simulacin electroneumtica (FluidSim), la simulacin del PLC (STEP 7, PLCSim y Grafcet) y

el monitoreo en una interfaz hombre-mquina.

8) Desarrollar una comparacin entre las tres metodologas de solucin, para cada tipo de secuencia de movimientos, para facilitar la eleccin de algn mtodo de diseo,

segn las caractersticas de la secuencia.



3

Planteamiento del problema:

La electroneumtica es muy utilizada dentro de la industria para el desarrollo de distintas

actividades secuenciales y poco a poco se va incrementando su uso en la industria, debido a

las ventajas que aporta, adems si se emplean las propiedades de un controlador lgico

programable se puede obtener un control ms potente de los procesos electroneumticos ya

que se pueden adquirir mayores funciones por menor espacio.

Para la solucin de las problemticas que se presentan en el uso de la electroneumtica se

deben emplear de forma correcta alguna de las metodologas prcticas para el diseo de las

secuencias, segn las caractersticas del proceso electroneumtico.

Con la aplicacin de la informtica dentro de la tecnologa es necesario aprovechar la

existencia de software especializado de simulacin de procesos electroneumticos

controlados por PLC y su integracin como herramientas de apoyo en un entorno

interactivo que permite crear ambientes virtuales para verificar el correcto funcionamiento

de las soluciones propuestas.



4

Justificacin:

Para realizar proyectos electroneumticos, existen diversas herramientas para implementar

su solucin. FluidSim es un software de simulacin neumtica y electroneumtica mediante

el uso de relevadores o PLC, siendo un simulador muy certero y fcil de utilizar. STEP 7,

es un software de programacin de PLC Siemens como el S7-300 o el S7-400, adems

cuenta con su simulador de PLC, el PLCSim, para comprobar el buen funcionamiento de la

programacin. STEP 7 y S7-GRAPH, es un software de programacin para el uso de

Grafcet como lenguaje de programacin de los PLC siemens S7-300 o S7-400.

Cada uno tiene su propio manual, con diversos ejemplos de aplicacin, pero no existe

informacin que los integre, y mucho menos su aplicacin en electroneumtica con

soluciones mediante un controlador lgico programable. Es necesaria la existencia de

informacin que permita conocer el funcionamiento de los softwares integrados y muy

especficamente en soluciones de proyectos electroneumticos.



5

Introduccin

En el siguiente trabajo se documenta y describe, la integracin del software de

programacin para controladores lgicos programables del fabricante Siemens de las

familias S7-300 y S7-400; con el software de simulacin de FESTO FluidSim; con la

finalidad de crear una herramienta ptima en la solucin, desarrollo y diseo de procesos

electroneumticos, controlados mediante algn PLC de la marca Siemens dentro de un

ambiente virtual, para verificar su buen funcionamiento.

Se define ambiente virtual, como el apoyo con herramientas multimediales que hagan ms

agradable el desarrollo de proyectos y el aprendizaje en un entorno interactivo de

construccin de conocimiento.

Previamente se tocarn temas para el conocimiento del control mediante electroneumtica,

la importancia que tiene la implementacin y uso de los mecanismos neumticos en la

industria, as como sus ventajas y formas de control de estos mecanismos.

Se conocern dispositivos neumticos y electroneumticos, empleados para la

automatizacin de procesos de manufactura industrial, por lo tanto, tambin se conocen

dispositivos elctricos y electrnicos, utilizados para el control o mando de actuadores

neumticos.

Un tema de vital importancia dentro de este trabajo es el conocimiento del controlador

lgico programable, por lo que se tocan las ventajas del uso de los PLC dentro del control

electroneumtico, as como las mejoras que se tienen sobre otros tipos de control de

procesos electroneumticos.

Una parte importante del trabajo es el conocimiento y aplicacin de las metodologas de

resolucin de secuencias, empleando cilindros neumticos. Una de ellas es el conocimiento

del Grafcet, por lo que, es necesario conocer de manera amplia cmo y cuando surgi,

como ha ido evolucionando, como debe ser utilizado y en especial su funcionamiento como

lenguaje de programacin en la actualidad para algunos controladores lgicos

programables, siendo el caso de los PLC S7-300 y S7-400 de la marca Siemens.

El segundo captulo incluye el conocimiento de los softwares que conformarn una

herramienta de simulacin en un ambiente virtual, se conocer el FluidSim, qu es? y

para qu? funciona, las opciones que ofrece al usuario para un mejor desempeo en el

manejo de procesos electroneumticos, tambin se conocer el STEP 7, software para

programar los controladores lgicos programables de Siemens, se analizan los lenguajes de

programacin que maneja y las ventajas que ofrece el uso de este ambiente para el diseo

de programas para PLC.

Ya que se conocen los softwares a utilizar, se debe conocer cmo se lleva a cabo la

comunicacin entre ellos para poder realizar el diseo y prueba del control de secuencias

electroneumticas mediante una ptima herramienta virtual de simulacin.



6

Para el tercer captulo del trabajo se menciona paso a paso y de forma detallada el proceso a

seguir para lograr la integracin de los softwares especializados de programacin y

simulacin, y mediante esta herramienta virtual simular diferentes tipos de secuencias

electroneumticas, con las metodologas de diseo Cascada, Paso a paso y Grafcet.

Para el captulo nmero cuatro, se describen y se analizan los diferentes ejercicios

seleccionados para llevar a cabo su simulacin mediante la integracin de los programas de

Festo y Siemens, poder conocer y difundir la metodologa que facilit el diseo de la

secuencia requerida para lograr la comunicacin a nivel virtual de los programas.

Dentro de este ltimo captulo se realiza una comparacin de las metodologas de diseo

para los diferentes tipos de secuencias segn sus caractersticas de funcionamiento y

Cmo? producen diferencias en los programas, siendo que deben ejecutar la misma

secuencia electroneumtica.



7

CAPTULO 1 Marco terico.

En este captulo se conocern las bases para el manejo y el control de proyectos

electroneumticos gobernados por medio de un controlador lgico programable marca

siemens. Se conocern las ventajas de la utilizacin de la electroneumtica, las bases, los

dispositivos actuadores y de mando utilizados dentro de los procesos de fabricacin donde

se emplea la electroneumtica.

1.1 Procesos de manufactura automatizados con

electroneumtica.

En la industria se cuentan con varios tipos de actuadores para los procesos de fabricacin,

estos actuadores se dividen en hidrulicos, neumticos y elctricos, estos actuadores tienen

como finalidad transformar alguna clase de energa o seal en una accin mecnica, la cual

se ocupara para realizar algn trabajo del proceso industrial.

Los sistemas de fabricacin automatizados contemplan el desarrollo del proceso con la

menor intervencin del hombre, esto es, que las mquinas o automatismos ejecutan la

mayora de las acciones del proceso, pero debido a los diferentes tipos de procesos no

siempre se tiene que cualquier tipo de actuador puede ejercer dicho proceso.

Los actuadores neumticos son muy comunes dentro de los procesos de manufactura

automatizados, en especial el uso de actuadores lineales o cilindros neumticos, estos tipos

de actuadores tienen gran aplicacin en los procesos de fabricacin debido a su control, y a

las fuerzas con las que pueden realizar sus movimientos. Como por ejemplo en la figura

1.1-1, se tiene un manipulador neumtico que se encarga del desplazamiento y acomodo de

piezas pequeas, como pueden ser pernos, tornillos, etc., utilizando tres cilindros para

ejecutar movimiento en los tres ejes X, Y y Z.

Figura 1.1-1. Manipulador neumtico.



8

Estos tipos de actuadores tienen diferentes tipos de control, pueden ser controlados de

forma neumtica o mediante la conversin de energa elctrica a control neumtico, a travs

de electrovlvulas de control. A este ltimo tipo de control, aplicado a procesos

automticos, se le llama control electroneumtico.

El control de procesos automatizados mediante electroneumtica, ofrece una gran ventaja

por sobre el control puramente neumtico, y esta es las distancias que pueden ser

manejadas, ya que, el gobierno de los cilindros mediante aire, requiere de distancias no

muy grandes entre el control y el elemento final, ya que si la distancia de la fuente de

alimentacin de aire es muy grande, se presentar una prdida de presin del aire para el

control de los actuadores, provocando un bajo desempeo de los actuadores, mientras que

el control electroneumtico ofrece la ventaja de poder tener el control a largas distancias de

hasta 1km entre los dispositivos de mando y los actuadores.

El control elctrico por su parte, presenta el inconveniente que para procesos de fabricacin

donde se trabaje dentro de un ambiente explosivo, puede ocasionar una explosin debido a

una chispa provocada por algn corto circuito o el mal funcionamiento de alguno de sus

dispositivos de control, para estos caso es recomendable el uso de un control neumtico,

siendo aire el elemento de la seal, no causa explosin en caso de fugas.

Pero si contamos con la parte de ejecucin dentro del ambiente explosivo y la parte de

control elctrica a una larga distancia, por ejemplo, en el cuarto de control, donde las

condiciones de seguridad son diferentes a las del proceso, se tendra un control ptimo y

seguro del proceso de manufactura automatizado.

La automatizacin de procesos de fabricacin empleando el control electroneumtico, tiene

muchas aplicaciones dentro de la industria, algunos casos podran ser:

1. El control de apertura y cierre de compuertas, para el control del paso de fluidos o de solidos como, tierra, piedras, cemento en polvo y otros.

2. El control de brazos mecnicos. 3. El desplazamiento de objetos. 4. El control de mquinas para realizar barrenos, soldadura, pintura o acomodos, entre

otras aplicaciones.

Como se puede observar la automatizacin mediante electroneumtica puede ser aplicable a

diferentes industrias, ya que los cilindros pueden ser acoplados para desempear diferentes

funciones, y controlados por seales elctricas que sern transformadas a flujo de aire.

En la figura 1.1-2 se tiene un ejemplo de un dispositivo de estampado de ranuras, en el

interior de unas piezas rectangulares, despus de que han sido barrenadas en diferentes

posiciones por otro automatismo, las piezas se colocan manualmente en la base del

dispositivo y mediante el accionamiento de un botn de marcha ejecutar el

posicionamiento de la pieza con el cilindro A, y los cilindro B, C y D ejecutarn la pieza

para posteriormente retroceder y poder soltar la pieza para poder colocar otra.



9

Figura 1.1-2. Dispositivo de estampado.

1.2 Dispositivos para automatizacin electroneumtica.

La electroneumtica consta de dos seales, la elctrica y la de aire o neumtica, esto para

aprovechar las ventajas que ambas tienen. La neumtica comprende el uso de aire o gas

para realizar movimientos mecnicos, a travs de un flujo generado por un compresor

(figura 1.2-1), este compresor se encarga de alimentar o generar un flujo de aire a los

actuadores neumticos, con una determinada presin.

Figura 1.2-1. Compresor

Ya que se tiene una alimentacin de aire comprimido, esta es enviada a los dispositivos de

mando, como lo son las vlvulas, estos dispositivos tienen la finalidad de bloquear, regular

o distribuir el flujo de aire comprimido. Las vlvulas pueden ser accionadas de forma

mecnica, neumtica, hidrulica o elctrica, en la figura 1.2-2 se observa una vlvula de

accin mecnica con rodillo y retorno por muelle, sirve para la distribucin de aire a un

cilindro, para desempear alguna accin sobre los actuadores neumticos.



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Figura 1.2-2. Vlvula 3/2 accin mecnica y retorno por muelle.

Despus de las vlvulas, el aire comprimido puede pasar a vlvulas reguladoras, esto con la

finalidad de poder regular el flujo de aire comprimido que entra a los cilindros, esto se ver

reflejado en la velocidad de ejecucin del movimiento del actuador. Figura 1.2-3 ejemplo

de una vlvula reguladora de flujo controlada manualmente.

Figura 1.2-3. Vlvula reguladora.

En la figura 1.2-4 se observa un circuito neumtico para el control de un cilindro de doble

efecto, desde el compresor de aire, hasta el elemento final de control que ser el cilindro de

doble efecto, pasando por la vlvula distribuidora.

Figura 1.2-4. Circuito de control neumtico de un cilindro.

Una parte importante en el control de procesos electroneumticos, son los dispositivos para

enviar seales de activacin o desactivacin de los actuadores electroneumticos, estos

dispositivos sern la comunicacin entre el operador y el proceso de manufactura.



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1.2.1 Dispositivos electroneumticos.

1) Electrovlvulas.

Son dispositivos que sirven como interfaz para tener gobierno de un dispositivo neumtico,

partiendo de una seal elctrica.

Las electrovlvulas reciben excitacin elctrica proveniente de los dispositivos de control,

pueden ser relevadores o algn autmata programable, que mediante la conexin de

bobinas genera un campo magntico, que produce el desplazamiento de la electrovlvula a

una posicin donde se encargan de distribuir el aire a la salida deseada. Las vlvulas

mandan o regulan la puesta en marcha, paro, inversin de sentido, presin o caudal del

fluido transportado por la bomba. Las vlvulas de vas, de varios orificios, son los

componentes que determinan el camino que debe tomar el fluido bajo presin, la figura

1.2.1-1 es un ejemplo de estas electrovlvulas, en sus extremos se observa el pilotaje

interno para el gobierno mediante una seal elctrica del PLC.

Figura 1.2.1-1. Electrovlvula biestable 3/2 vas.

Para representar los distribuidores se utilizan smbolos que indican la funcin de la vlvula.

Las vlvulas son representadas por cuadros. La cantidad de cuadros colocados

verticalmente indica la cantidad de posiciones del distribuidor. El funcionamiento est

representado en el interior del cuadro. Las lneas esquematizan las canalizaciones internas.

La flecha indica el sentido de circulacin del fluido. Las posiciones de cierre se representan

por lneas transversales. Segn el tipo de vlvula corresponder su smbolo figura 1.2.1-2.

Figura 1.2.1-2. Smbolos de diferentes electrovlvulas.

Las conexiones se representan por trazos que estn unidos al cuadro que esquematiza la

posicin de reposo del distribuidor o de salida. La otra posicin se realiza por



12

desplazamiento lateral de los cuadros, coincidente con las conexiones. Por posicin de

reposo, se entiende, en el caso de vlvulas con retorno por muelle, la posicin que ocupa la

vlvula cuando no est accionada.

La designacin de un distribuidor est en funcin de la cantidad de orificios activos y de las

posiciones de trabajo. La primera cifra indica la cantidad de vas, es decir, la cantidad de

orificios activos. La segunda cifra indica la cantidad de posiciones que toma la vlvula.

Las vlvulas biestables cuentan con dos bobinas, para colocar la vlvula en cada una de las

posiciones que tiene, en la figura 1.2.1-3 se tiene un diagrama de la forma de operacin de

una biestable, mientras que las vlvulas monoestables, nicamente cuentan con una sola

bobina, mientras que el estado de reposo se consigue mediante un resorte o muelle.

Figura 1.2.1-3. Electrovlvula biestable 5/2.

Para el control de una electrovlvula mediante un autmata programable ocurre lo

siguiente, al activar una salida del autmata, se activa una bobina, de forma que sta se

posiciona para que permita la circulacin de aire hacia el actuador neumtico, realizando el

movimiento pertinente.

2) Cilindros neumticos.

Es un dispositivo neumtico que permite, a partir de una presin de aire, obtener un

movimiento lineal alternativo limitado, en el cual la potencia es proporcional a la presin

de aire ejercida. Se tienen tres tipos de cilindros:

1. De simple efecto: Est constituido por un tubo en el cual puede deslizarse un pistn estanco unido a un vstago que sale por uno de sus extremos. La presin de aire

ejerce su efecto nicamente sobre una de las caras del pistn. ste es devuelto a su

posicin original, al desaparecer la seal en la bobina, por un muelle. Un orifico en

uno de sus extremos (opuesto al muelle), permite la alimentacin de aire al cilindro.

En la figura 1.2.1-4 se muestran los smbolos de 2 cilindros de simple efecto, un de

vstago retrado y el otro de vstago expulsado.



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Figura 1.2.1-4. Smbolos de cilindros de simple efecto.

2. De doble efecto: En este tipo de cilindros no existe muelle y el movimiento se produce en los dos sentidos por la accin del aire a presin sobre una u otra cara del

pistn segn la bobina que tenga seal. Para ello existen dos entradas diferentes de

aire comprimido en cada uno de los extremos del tubo que forma el cilindro figura

1.2.1-5. Estos tipos de cilindros tambin cuentan con su simbologa, la cual se

muestra en la figura 1.2.1-6.

Figura 1.2.1-5. Cilindro de doble efecto.

Figura 1.2.1-6. Smbolo de un cilindro de doble efecto.

3. Especiales: Cilindros con amortiguamiento de caucho, cilindros con tres posiciones fijas, cilindros con cremallera entre otros tipos. En la figura 1.2.1-7 se pueden

observar algunos de los smbolos para cilindros especiales.

Figura 1.2.1-7. Cilindros especiales.

Los cilindros y las electrovlvulas deben estar bien coordinados. Deben ser considerados



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como uno solo y no como dos dispositivos distintos, esto es, si se va a gobernar un cilindro

de doble efecto la electrovlvula debe ser biestable, mientras que para el caso de cilindros

de simple efecto se deben emplear electrovlvulas monoestables. Figura 1.2.1-8. [12].

Figura 1.2.1-8. Cilindro de doble efecto gobernado por una

electrovlvula biestable 5/2 vas.

1.2.2 Controlador Lgico Programable (PLC).

El controlador lgico programable representa una gran herramienta para el control de

procesos, aunque para utilizarlos se debe tener un conocimiento previo de las

caractersticas, del software con el que se programa, de su forma de conexin y de la

cantidad de entradas y salidas con las que cuenta, los PLC son un gran avance en el control

de procesos electro-neumticos.

El control por PLC tiene grandes ventajas una de ellas es la simplificacin, tanto de espacio

como para la ejecucin del proceso, el espacio reducido es muy grande, en especial si

consideramos un proceso muy extenso y complicado, donde se requieren de muchos

relevadores, en el caso de control electro-neumtico, o muchas vlvulas y tuberas, para el

caso de control neumtico, el PLC lo puede simplificar a una sola gaveta.

Otra ventaja que ofrece el PLC por sobre otros mtodos de control es la distancia, puede

estar ubicado a una larga distancia de los actuadores y no existirn alteraciones en la

velocidad de respuesta. De hecho el PLC puede estar monitoreado a travs de una PC que

tambin puede estar apartada del, y contaremos con los datos en tiempo real.

El PLC da la pauta para que el operador pueda estar cambiando la configuracin, cuantas

veces sea necesaria, o de aumentar o decrementar acciones con una mnima inversin

(Hasta donde el PLC lo permita), sin necesidad de tener detenido el proceso por mucho

tiempo. Adems de que la mayora de los softwares de programacin de PLC cuentan con

simuladores, de esta forma podemos hacer algunas pruebas para asegurarnos del

funcionamiento o cambiar errores sin tener que gastar los dispositivos.

El PLC cuenta con la gran ventaja de tener diferentes tipos de puertos de comunicacin, ya

sea por la pantalla, a travs de una PC por puerto RS-232 o USB o por internet, segn sea el



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tipo de PLC, esto ofrece al usuario una herramienta extra para el control del mantenimiento

de las mquinas, tiempos de trabajo o tiempos muertos, monitoreando cada parte del

proceso, e incluso algunos ofrecen enviar informacin a alguna base de datos.

La ventaja de reducir el espacio con el PLC se debe a sus dimensiones tan pequeas como

se puede ver en la figura 1.2.2-1, adems que los temporizadores y los relevadores de

control, ya no son fsicos, al contrario estn dentro del controlador lgico programable, y

no altera el funcionamiento, si no lo optimizan, ya que se encuentran en el sistema del PLC

y no expuestos al medio ambiente, a los riesgos de golpes, o desgaste fsico. Por lo tanto,

no sufren dao y alteran su funcionamiento.

Figura 1.2.2-1. Controladores lgicos programables de Siemens,

Rockwell y Omron.

Los controladores lgicos programables no solo cuentan con ventajas para mejorar la

eficacia de los procesos, tambin cuentan con ventajas de energa, por que consumen

menos energa elctrica que sistemas donde existan muchos relevadores. Y para el caso de

electro-vlvulas, el PLC puede ser conectado directamente, ya que pueden manejar

corriente alterna y corriente directa, dependiendo del tipo de PLC y tambin dependern los

rangos de operacin que por lo regular es de 24Vdc.

Los PLC como se ha comentado, tienen muchsimas ventajas sobre los anteriores tipos de

control, pero en realidad tienen pocas desventajas.

Una seria que an puede producir chispas, por sus conexiones, por lo tanto no es muy

recomendable emplearlo en ambientes explosivos, claro puede ser colocado a una gran

distancia evitando estar dentro del ambiente explosivo.

Otra desventaja seria que se necesita aprender a programarlo, o en su defecto contratar a

alguien para que lo programe segn las necesidades del usuario, y eso resultara en un costo

extra, que ms bien podra llamarse inversin.

La desventaja ms grande que tiene un PLC podra ser su aun elevado costo, en especial si

se requiere de uno con una gran variedad de funciones o de funciones muy avanzadas,

adems de necesitar el software para su programacin, y eso implica estar comprando las

actualizaciones y las licencias. [12].

SIMATIC S7-300.

Este controlador lgico programable de la marca siemens, se encuentra en la gama de mini

autmatas modulares, con un amplio abanico de mdulos para una adaptacin optima en las

tareas de automatizacin, cuenta con aplicaciones flexibles gracias a su posibilidad para



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realizar estructuras descentralizadas e interconexiones por red, la gran cantidad de

funciones con las que cuenta hacen de este PLC un controlador muy potente, adems puede

ser ampliado sin problemas para el caso de mejorar el proyecto o de conectar otras tareas,

adems puede ser implementado de manera fcil, por su forma de instalacin tan simple, su

facilidad de uso y por ser un equipo que no requiere ventilacin.

Una caracterstica importante de este PLC es su pequeo tamao, siendo las medidas de su

CPU 80cm de largo, 12.5cm de alto y 13cm de profundidad, en cuanto a las dimensiones de

sus mdulos tiene 40cm de largo, 12.5 de alto y 13cm de profundidad, como puede

visualizarse en la figura 1.2.2-2, donde se seala cada parte del controlador. Adems el S7-

300 requiere una alimentacin de 24Vdc, por esta razn, los mdulos de alimentacin de

carga transforman la tensin de alimentacin de 115/230Vac a una tensin de 24Vdc.

Figura 1.2.2-2. Estructura fsica del PLC S7-300 de Siemens.

El sistema modular comprende de cinco CPU, para las diferentes tareas, mdulos de

entradas y salidas digitales y analgicas, mdulos de contaje rpido, posicionamiento de

lazo abierto y lazo cerrado, as como, mdulos de comunicaciones para redes de bus. La

CPU ms potente puede ejecutar 1024 instrucciones binarias en menos de 0.3mseg.

El controlador lgico programable S7-300 puede trabajar a temperaturas de hasta 60C en

una instalacin vertical, y de hasta 40C para una instalacin horizontal, soporta humedad

relativa de entre 5 a 95% y es capaz de trabajar con presiones atmosfricas de entre 795 a

1080hPA. [2].

1.2.3 Dispositivos de mando y seal.

Una parte fundamental para la automatizacin, es el control de las maquinas o actuadores,

para esto se requiere que el controlador conozca algunas variables de estos actuadores,

como lo son posicin, presin, nivel, peso, entre otras. Para el suministro de esta

informacin se es necesario el uso de dispositivos de mando o sensores para que indiquen



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al controlador la informacin necesaria.

Por cuestin de seguridad no solo el PLC debe ser informado, existen procesos donde se es

necesario que tambin el operador conozca dicha informacin, de esta manera el operador

puede tomar decisiones que le correspondan, para ello se emplean dispositivos indicadores.

o Relevadores y Contactores.

Son dispositivos electromagnticos que conectan o desconectan un circuito elctrico de

potencia al excitar un electroimn o bobina de mando. Los relevadores estn previstos para

accionar potencias menores a 1kW, mientras que los contactores pueden accionar grandes

potencias.

Los relevadores y contactores se suelen emplear como etapa previa para el accionamiento

de dispositivos con mayor potencia elctrica, como, electrovlvulas, motores y otros. Por lo

regular se encargan de la separacin de la parte de control, que trabaja con tensiones y

corrientes mucho menores, que la parte de potencia. Muchas salidas de PLC emplean

relevadores, para tener aislado elctricamente el dispositivo o autmata de la accin de

potencia. [11]

o Botones pulsadores.

Son dispositivos elctricos y electrnicos, encargados de la conduccin o la interrupcin de

corriente elctrica, por medio, de la accin mecnica, al ser pulsados, internamente produce

que los platinos se junten en caso de ser un pulsador normalmente abierto (NA) y por lo

tanto permitan el paso de la corriente elctrica, o que los platinos se separen para el caso de

los normalmente cerrados (NC) y produciendo un corte en la corriente elctrica. Existe una

gran diversidad de formas para botones, incluso en colores o luminosos, como se observa

en la figura 1.2.3-1 la estacin de botones cuenta con un botn verde y otro rojo, o en el

lado derecho se tiene un botn rojo de paro de emergencia.

Figura 1.2.3-1. Estacin de botones.

Tambin existen "botones virtuales", cuyo funcionamiento debe ser igual al de los "fsicos";

su uso queda restringido para pantallas tctiles o gobernadas por otros dispositivos

electrnicos. Figura 1.2.3-2.



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Figura 1.2.3-2. Botn pulsador virtual en una HMI.

o Detectores final de carrera.

Son captadores de conmutacin electro-mecnica, la deteccin del objeto por medio del

cabezal hace conmutar los contactos elctricos del dispositivo. Para que la seal del

captador llegue al PLC se debe cablear una terminal del captador a la fuente de

alimentacin y la otra terminal al mdulo de entradas digitales del PLC.

Estos dispositivos tienen como gran ventaja su bajo costo. Pero como desventaja presentan

la necesidad de entrar en contacto con el objeto, adems de tener una baja respuesta. Al ser

necesario el contacto fsico con el objeto estar garantizado para un nmero mximo de

maniobras, siempre que no sean sometidos a mayor esfuerzo del que pueden soportar segn

el catalogo. En la figura 1.2.3-3 se puede observar una gran variedad de detectores de

carrera, donde su elemento de contacto puede variar para el tipo de cilindro a detectar. [11].

Figura 1.2.3-3. Diferentes tipos de final de carrera.

o Detectores de proximidad inductivos.

Estos tipos de detectores son empleados para la deteccin de piezas metlicas en distancias

que oscilan entre los cero a los treinta milmetros.



19

Su principio de funcionamiento consiste en influenciar desde el exterior un oscilador HF

completado con un circuito resonante LC. Un ncleo de ferrita con un bobinado oscilante

genera por encima de la cara sensible un campo magntico variable. Al introducirse una

pieza metlica en el campo magntico se producen corrientes de Faucoult que influencian

el oscilador y provocan una debilitacin del circuito oscilante. Un circuito detecta esta

variacin de amplitud y determina una conmutacin de la seal dada por el sensor ver

figura 1.2.3-4. [11].

Estos detectores cuentan con las siguientes ventajas:

1. Conmutacin sin realizar esfuerzo mecnico. 2. No existe desgaste. 3. Insensibilidad a influencias externas. 4. Larga vida til. 5. Gran precisin en el punto de conmutacin. 6. Frecuencia de conmutacin elevada.

Figura 1.2.3-4. Detector de proximidad Inductivo.

o Detectores de proximidad capacitivos.

Estos detectores permiten la deteccin sin contacto de materiales conductores y no

conductores, es decir, materiales metlicos y no metlicos, slidos o fluidos.

Figura 1.2.3-5. Detector de proximidad Capacitivo.

La cara activa de los detectores capacitivos est formada por dos electrodos metlicos



20

colocados concntricamente. Las caras de este condensador forman un acoplamiento

reactivo con un oscilador de alta frecuencia, regulado de tal forma que no provoca

interferencias en el caso de la cara activa libre. Si un objeto se aproxima a la cara activa se

introduce en el campo elctrico de los electrodos y por lo tanto el oscilador comienza a

variar. Un amplificador analiza la variacin y la transforma en una conmutacin.

Los detectores capacitivos son influenciados tanto por objetos conductores como no

conductores. Los metales, dada su alta conductividad, se detectan a grandes distancias. La

sensibilidad de estos detectores est muy relacionada con el tipo de material que se va a

detectar, as como por el grado de humedad ambiental y el contenido en agua del cuerpo.

Figura 1.2.3-5.

Cuando el objeto a detectar sea un aislante, su distancia de deteccin ser mayor, cuanto

mayor sea la constante dielctrica, dado que aumenta el acoplamiento capacitivo. Para

reducir este problema estos detectores llevan un ajuste de sensibilidad segn el tipo de

material a detectar.

La distancia de trabajo del detector depender del valor de la constante dielctrica del

material ( r). Cuanto mayor sea r, ms fcil ser detectado el material. Por lo tanto la

distancia de trabajo depender de la naturaleza del material. En la tabla 1-1 se pueden

observar diferentes tipos de constantes dielctricas ( r) y factores de correccin (Fc) para

diferentes materiales. [11].

Distancia de trabajo = Distancia nominal del detector * Factor de correccin (Fc).

Material r Fc Material r Fc

Aire 1 0 Mica 6-7 0,5-0,6

Alcohol 24 0,85 Nylon 4-5 0,3-0,4

Acetona 20 0,8 Papel 2-4 0,2-0,3

Amoniaco 15-25 0,75-0,85 Parafina 2-2,5 0,2

Madera seca 2-7 0,2-0,6 Plexigls 3,2 0,3

Madera hmeda 10-30 0,7-0,9 Resina polister 2,8-8 0,2-0,6

Caucho 2,5-3 0,3 Poliestireno 3 0,3

Cemento 4 0,35 Arena 3-5 0,3-0,4

Agua 80 1 Sal 6 0,5

Gasolina 2,2 0,2 Azcar 3 0,3

Harina 2,5-3 0,2-0,3 Tefln 2 0,2

Aceite 2,2 0,2 Vidrio 3-10 0,3-0,7

Tabla 1-1. Constante dielctrica y Factor de correccin para detectores capacitivos.

o Detector magntico.

Es aplicado fundamentalmente en la deteccin de la posicin de cilindros neumticos. El

imn permanente fijado en el pistn del cilindro satura con su campo magntico el ncleo



21

de la bobina del detector. De esta forma se vara la corriente que circula por un circuito

oscilante. Esta variacin detectada en transformada en una conmutacin mediante el

circuito del sensor, en la figura 1.2.3-6 se pueden distinguir diferentes tipos de sensores

magnticos. [11].

Figura 1.2.3-6. Detectores magnticos.

o Detectores pticos.

Este tipo de detectores utilizan fotoclulas como elementos de deteccin. Algunos tipos

disponen de un cabezal que incorpora un emisor de luz y la fotoclula de deteccin,

actuando por reflexin y deteccin del haz luminoso reflejado sobre el objeto a detectar.

Otros tipos trabajan a modo de barrera y estn previstos para la deteccin a mayores

distancias con fuentes luminosas independientes del cabezal detector. Ambos tipos suelen

trabajar con frecuencias luminosas en la gama IR infrarrojos. Figura 1.2.3-7.

Figura 1.2.3-7. Detectores pticos de reflexin y de barrera.

Estos dispositivos cuentan con una elevada inmunidad a las perturbaciones

electromagnticas externas, por lo que los convierte ideales para el trabajo en conjunto con

bobinas. Adems cuentan con una elevada velocidad de respuesta. Son capaces de

identificar colores.



22

Los detectores pticos cuentan con distancias de deteccin grandes, respecto a los

detectores inductivos y capacitivos. Se tienen fcilmente hasta 500 m en modo barrera y

hasta 5 m por reflexin.

Para ambientes muy luminosos pueden emplearse barreras pticas basadas en deteccin por

luz polarizada. El emisor emite luz polarizada contra una placa reflectora que hace girar el

plano de polarizacin 90 y la devuelve hacia el detector previsto para recibirla en el plano

vertical.

Otra variacin de estos detectores pticos son los de fibra ptica, que tienen los puntos de

emisin y recepcin de luz separados de la unidad generadora, y unidos a ella mediante la

fibra. De esta forma, la deteccin puede llevarse a puntos inaccesibles para las fotoclulas

de barrera o reflexin, aprovechando la flexibilidad de la fibra. Estos detectores, tienen

distancias de 3mm hasta 10m, pudiendo detectar objetos muy pequeos. [11].

o Detectores ultrasnicos.

Estos detectores estn basados en la emisin y recepcin de ondas de tipo ultrasnicas.

Cuando un cuerpo interrumpe el has, el nivel de recepcin vara y el receptor lo detecta.

En la cara activa del detector un disco cermico piezoelctrico se encarga de transmitir

ondas de sonido a alta frecuencia. Durante un tiempo al disco se le aplica una tensin

elctrica de alta frecuencia, por lo cual, causa una vibracin a la misma frecuencia

emitiendo ondas de sonido de alta frecuencia. A continuacin, el sensor no emite durante

un lapso de tiempo en espera de los pulsos reflejados.

Las ondas reflejadas llagan al sensor. Si el tiempo que ha pasado entre la emisin del pulso

y la recepcin del eco se encuentra dentro del rango permisible en el que se ha ajustado el

detector, este conmutara indicando la presencia de algn cuerpo. Figura 1.2.3-8.

Como ventaja frente a las fotoclulas, estos detectores pueden percibir con facilidad objetos

transparentes, como lo es el cristal y algunos plsticos, materiales que ofrecen dificultad

para su deteccin ptica.

Figura 1.2.3-8. Detector ultrasnico seal fuera de rango y seal

dentro del rango ajustado.

Sin embargo, ya que estos detectores emplean ondas ultrasnicas que se mueven por el aire,

no podrn ser utilizados en lugares donde este circule con violencia o gran velocidad, o en

medios con elevada contaminacin acstica.

De la misma manera que otros detectores, los ultrasnicos tambin son fabricados en

diferentes tipos y con diferentes caractersticas, como se ven en la figura 1.2.3-9. [11].



23

Figura 1.2.3-9. Diferentes tipos de detectores ultrasnicos.

1.3 Mtodos para el diseo de secuencias

electroneumticas.

En este apartado se conocern los mtodos de diseo para secuencias electroneumticas

(Cascada, Paso a paso y Grafcet), empleando un controlador lgico programable S7-300 de

siemens, aplicando los mtodos de diseo al programa para PLC.

1.3.1 Mtodo cascada.

Para el uso del mtodo en cascada, es necesario primero conocer cada uno de los

movimientos de la secuencia electroneumtica. En la figura 1.3.1-1 se tiene una secuencia

de dos cilindros.

/A+/B+/B-/A-/

Figura 1.3.1-1. Ecuacin de movimientos.

Posteriormente se debe dividir la secuencia en grupos, para esto se debe tener en cuenta que

dentro de cada grupo no deben existir dos o ms movimientos de un solo cilindro, es decir,

el grupo puede contener N movimientos de N cilindros, pero no puede tener un movimiento

de avance y un de regreso del mismo cilindro, en la figura 1.3.1-2 se observa la ecuacin de

movimientos (figura 1.3.1-1), dividida en dos grupos.

Figura 1.3.1-2. Grupos de la secuencia.

Ya que se tienen los grupos de la secuencia electroneumtica, es necesario del diseo del

circuito electroneumtico, como se observa en la figura 1.3.1-3 se tiene el circuito de fuerza



24

y el circuito de control por PLC.

Figura 1.3.1-3. Circuito de fuerza para 2 cilindros y circuito de

control por mdulos de PLC.

Teniendo el circuito de control conectado a los mdulos de entradas y salidas del

controlador lgico programable, se procede a realizar la tabla de entradas y salidas del

proceso, como se muestra en la tabla 1-2.

Tabla 1-2. Entradas y salidas del proyecto.

Ya que se cuenta con la relacin de entradas y salidas del proyecto, se procede a realizar el

programa, para esto se debe tomar en cuenta que cada grupo de movimientos ser una

bobina de marca de memoria figura 1.3.1-4, como se observa en la tabla 2, el grupo 1 se

direcciona a m0.0, y el grupo 2 a m0.1. Cada grupo controlar la activacin de los

movimientos correspondientes.

Figura 1.3.1-4. Lnea 1 del programa, activacin del grupo 1 de

movimientos de la secuencia.



25

Debe notarse que se tiene un contacto normalmente cerrado de la bobina grupo2, en serie

con la bobina del grupo1, esto es, con la finalidad de desactivar al grupo1 al instante en que

el grupo2 entre en funcionamiento.

Una vez que el grupo1 est activado, mediante sus contactos normalmente abiertos,

asegurar que nicamente los movimientos del grupo1 sean activados cuando se cumplan

las condiciones. Como se observa en la figura 1.3.1-5, el control de los movimientos del

grupo1.

Figura 1.3.1-5. Lneas 2 y 3 del programa para activar las salidas

de los cilindros A y B.

Siguiendo la regla principal del mtodo en cascada, se prosigue a disear todo el programa

como se observa en la figura 1.3.1-6, el programa completo en lenguaje KOP, diseado con

el mtodo cascada.



26

Figura 1.3.1-6. Programa en PLC diseado con el mtodo cascada.

Para finalizar el ciclo del programa es necesario que el contacto cerrado del ltimo grupo

sea el ltimo detector final de carrera que sea activado para desactivar al ltimo grupo,

como se puede observar en la figura 1.3.1-6 en la lnea 4 correspondiente al grupo2, el

contacto cerrado ser la entrada del detector final de carrera A0.

Ya que se ha finalizado el programa se debe verificar su buen funcionamiento, esto se

puede realizar con la ayuda del diagrama de estado que generen los movimientos de los

cilindros, en la figura 1.3.1-7 se puede observar el diagrama de estado obtenido por el

ejemplo.

Figura 1.3.1-7. Diagrama de estado.

1.3.2 Mtodo paso a paso.

Para el diseo de secuencias electroneumticas con el mtodo paso a paso, deben seguirse

las siguientes etapas. Primero se debe tener la ecuacin de movimientos de la secuencia a

desarrollar como ejemplo se tiene la figura 1.3.2-1.

/A+/B+/B-/A-/


Posteriormente cada movimiento se tomar como un paso de la secuencia de control vase

la figura 1.3.2-2.



27

Figura 1.3.2-2. Divisin de la secuencia en pasos.

Ahora se prosigue con el diseo del circuito de fuerza y control por mando de PLC de los

cilindros a ejecutar la secuencia. Se puede ver en la figura 1.3.2-3 los cilindros A y B, sus

electrovlvulas y los mdulos de entradas y salidas del PLC.

Figura 1.3.2-3. Circuito de fuerza para 2 cilindros y circuito de

control por mdulos de PLC.

Ya que se cuenta con el diseo del circuito de fuerza neumtico y el circuito de control

mediante PLC, se procede a realizar la tabla de entradas y salidas del proyecto, esto con la

finalidad de tener un control de la cantidad de entradas y salidas a usar, el tipo y las

direcciones y smbolos del programa a utilizar.


Como se puede observar en la tabla 1-3, para este mtodo no se emplearn marcas de

memoria para el control de los pasos, se utilizan las bobinas de las salidas digitales del PLC

como las bobinas para el control de los pasos, siempre y cuando el uso de la salida no se

repita.



28

Una vez que las entradas y salidas estn definidas, se procede al diseo del programa de

PLC, para esto se debe tomar en cuenta que al activarse el nuevo paso, este desconecta al

paso anterior y as sucesivamente al que le sigue, esto se ejemplifica con la figura 1.3.2-4.

Figura 1.3.2-4. Lnea bsica del mtodo.

Como se muestra en la figura 1.3.2-4, el contacto abierto BA, activar el paso, en este caso

la salida del cilindro A, mientras que el contacto cerrado B+ provocar que al entrar en

funcionamiento el siguiente paso, el paso actual quedar desactivado.

Se debe tomar en cuenta que para algunos pasos se deben cumplir algunas condiciones, por

ejemplo que algn cilindro este expulsado o que concluya su movimiento de retraccin, por

lo que ser necesario utilizar dos contactos abiertos para la activacin del paso. En la figura

1.3.2-5 se observa el programa completo de la secuencia de ejemplo.

Figura 1.3.2-5. Programa del PLC con el mtodo paso a paso.



29

Para finalizar el ciclo de la secuencia es necesario de utilizar en el ltimo paso un contacto

cerrado del detector final de carrera A0, como se puede ver en la figura 1.3.2-5 en el paso 4,

esto debido a que, el ltimo movimiento es la retraccin del cilindro A y cuando llega al

final, activa al detector final de carrera A0 y produce que se abra el circuito, desactivando

el paso 4 y por lo tanto la secuencia.

De la misma forma que el mtodo cascada, se puede hacer uso del diagrama de estado

como el de la figura 1.3.2-6, para verificar el buen funcionamiento del proyecto.

Figura 1.3.2-6. Diagrama de estado de la secuencia.

1.3.3 Mtodo de Grafcet.

La complejidad en el diseo de procesos y la disponibilidad de controladores ms potentes,

eficientes y con un mayor nmero de funciones, obligan a replantearse los mtodos de

diseo en los sistemas de control electroneumtico.

Normalmente los automatismos controlados a base de relevadores han sido diseados con

mtodos intuitivos a base de prueba y error, estos mtodos se han sido empleados en los

controladores lgicos programables, debido a que la mayora pueden ser programados a

base de diagramas o lenguajes de contactos.

En 1975, uno de los grupos de trabajo de la AFCET (Asociation Francaise pour la

Ciberntique Economique et Technique), decidi crear la normalizacin de la

representacin de la especificacin de los controladores lgicos. En Agosto de 1977 una

comisin formada por 12 acadmicos e investigadores y 12 representantes de algunas

compaas firm el informe final.

Es entonces cuando naci el Grafcet, grfico de mando etapa-transicin, en principio se

pretenda satisfacer la necesidad de disponer de un mtodo de descripcin de procesos, con

total independencia de la tecnologa, mediante una serie de grficos de fcil interpretacin

no solo por especialistas en automatizacin.

El Grafcet es un formalismo inspirado en las redes de Petri, merced a una interpretacin



30

singular, donde se manejan eventos, condiciones y acciones en forma anloga a los clsicos

diagramas de estado, siendo la variable local de estado intrnsecamente binaria.

El Grafcet est definido por unos elementos grficos y unas reglas de evolucin, las cuales

reflejan la dinmica del comportamiento del sistema. Todas las secuencias pueden ser

estructuradas en una serie de etapas, dichas etapas representan estados o subestados del

sistema en los cuales se realizan una o varias acciones, igual que transiciones, que son las

condicionantes para que se d un cambio de una etapa a otra. En pocas palabras se podra

decir, que el Grafcet es una representacin grfica del automatismo compuesto por etapas y

transiciones. [11], [12].

Etapas:

Una etapa corresponde a una accin del proyecto indicando un comportamiento estable. Se

conviene en representar una etapa por un cuadro en el que se indica el nmero de la etapa

como lo muestra la figura 1.3.3-1.

Figura 1.3.3-1. Smbolo de la etapa 1.

Las etapas de inicio son representadas por dobles cuadros, es decir, un cuadro estar dentro

de otro cuadro ms grande como se muestra en la figura 1.3.3-2. Estas etapas son las nicas

que sern activadas al iniciarse la secuencia en Grafcet.

Figura 1.3.3-2. Smbolo de una etapa inicial.

Para indicar que una etapa est en ejecucin o est activa, debe estar con algn relleno de

color, es decir, una etapa fuera de funcionamiento estar de color blanco como en las

figuras 1.3.3-1 y 1.3.3-2, mientras que una etapa en ejecucin estar colorada o en su

defecto ser en negro, como en la figura 1.3.3-3. [11].

Figura 1.3.3-3. Etapa en ejecucin.



31

Acciones:

En las etapas se desarrollan una serie de acciones sobre el sistema. Estas acciones se

representan mediante un rectngulo situado en la parte derecha del smbolo de la etapa,

como se muestra en la figura 1.3.3-4. Estas acciones pueden ser de tipo impulso como seria

activar un temporizador o incrementar en uno un contador, o pueden ser continuas como

seria activar un motor o activar un solenoide de una electrovlvula, mientras la etapa

correspondiente se mantenga activa.

Figura 1.3.3-4. Etapa con accin asociada.

Pueden existir etapas a las que no se les asocia una accin, esto puede ser correspondiente a

estados de reposo, ya sea de una mquina o en una etapa temporizada, para una toma de

decisin o para esperar un acontecimiento. [11].

Transiciones:

Las transiciones son elementos que permiten la evolucin de la secuencia de Grafcet. Una

transicin entre dos etapas se representa mediante una lnea perpendicular a las uniones

orientadas, en la figura 1.3.3-5 se observa el smbolo de la transicin. Para facilitar la

comprensin del Grafcet, cada transicin puede o no ir numerada a la izquierda del

smbolo.

Figura 1.3.3-5. Smbolo de la transicin.

Para que una transicin pueda ejercer el paso de una etapa a otra, debe cumplir con los

siguientes requerimientos:



32

1. La etapa inmediata anterior debe encontrarse activa. 2. La receptividad asociada a la transicin debe ser verdadera.

La receptividad asociada a una transicin es una condicin booleana que expresa la lgica

de la que depende el avance de una etapa a otra (vase figura 1.3.3-6), es decir, las

condiciones de transicin debern ser verdaderas para que la transicin permita el paso de

una etapa a otra. [11].

Figura 1.3.3-6. Transicin con su condicin.

Etapas simultaneas:

Cuando la transicin de una etapa produce la activacin de ms de una etapa o accin al

mismo tiempo, se dice que son etapas simultaneas. Despus de la activacin de las etapas

simultaneas, estas son independientes una de la otra.

Para las etapas simultneas se debe cumplir una transicin en comn para todas las etapas a

accionarse, por lo tanto debajo de la transicin se deben dibujar dos lneas paralelas

horizontales a lo largo de las etapas a accionar, en la figura 1.3.3-7 se tienen dos etapas

simultaneas.

Figura 1.3.3-7. Smbolo para conectar etapas simultaneas.

Cuando es necesario desactivar varias etapas simultneas, es necesario utilizar la misma



33

estructura, despus de las etapas se dibujan otras dos lneas paralelas horizontales a lo largo

de todas las etapas y despus de las lneas se conecta una sola transicin para pasar a otra

etapa, as como se muestra en la figura 1.3.3-8. [11].

Figura 1.3.3-8. Estructura de etapas simultaneas.

Etapas alternas:

Las etapas alternas son secuencias donde se presenta una seleccin de la evolucin del

proceso, puede representarse con tantas etapas que representen la cantidad de selecciones,

mediante la misma cantidad de transicin validas como evoluciones se tengan, una para

cada etapa a seleccionar, para representar una seleccin en Grafcet, se tiene una sola lnea

horizontal como en la figura 1.3.3-9, la cual conecta todas las transiciones de las diferentes

evoluciones, y posteriormente las etapas, la transicin que se cumpla primero ser la rama

que se active. [11].

Figura 1.3.3-9. Estructura de etapas alternas.

Repeticin:

Por medio de la repeticin se puede volver a ejecutar una o varias etapas o la secuencia

completa al momento de que una transicin se cumpla, se representa mediante una flecha



34

que relacione la transicin a cumplir y la etapa que se va a volver a ejecutar como se

muestra en la figura 1.3.3-10. [11].

Figura 1.3.3-10. Estructura de la repeticin.

Ya con el conocimiento sobre la simbologa y las reglas para el uso de Grafcet, se puede

realizar el diseo de una secuencia electroneumtica. Igual que en los otros mtodos se

debe tener primero la ecuacin de movimientos de la secuencia a disear figura 1.3.3-11.

/A+/B+/B-/A-/


Posteriormente se procede al diseo del Grafcet, observar la figura 1.3.3-12, se debe tener

en cuenta que esta secuencia no tiene ninguna rama alterna o rama simultnea, por lo que

ser una secuencia lineal, tambin se debe tomar en cuenta que la primera etapa ser una

etapa de reposo y no tendr accin, pero si deber regresar el punto inicial cada vez que

finalice el ciclo.

Figura 1.3.3-12. Grafcet 1 de la secuencia.



35

Despus se procede a realizar la tabla de entradas y salidas del proyecto, como se puede ver

en la tabla 1-4, se emplearan entradas y salidas digitales y no sern necesarias las marcas de

memoria para el desarrollo del programa con Grafcet.


Ya teniendo la relacin de entradas y salidas se procede a traducir el Grafcet diseado al

programa de PLC utilizando la simbologa del Grafcet como lenguaje de programacin

como puede observarse en la figura 1.3.3-13.

Figura 1.3.3-13. Programa para PLC S7-300 utilizando Grafcet.

Mediante el diagrama de estado de los cilindros en la figura 1.3.3-14, se verifica el correcto

funcionamiento de la secuencia con respecto a la ecuacin de movimientos.



36

Figura 1.3.3-14. Diagrama de estado de los cilindros.

1.4 El servidor OPC.

El servidor OPC por sus siglas en ingles OLE for Process Control, OLE para control de

procesos, a su vez OLE es incrustacin y enlazado de objetos, es un estndar de

comunicacin en el campo del control y supervisin de procesos industriales, basado en una

tecnologa Microsoft, ofreciendo una interfaz comn para el intercambio de datos entre

diferentes softwares, como se ve en la figura 1.4-1, una comunicacin entre distintas

aplicaciones. La comunicacin OPC entre diferentes softwares se lleva a cabo mediante una

metodologa cliente-servidor.

Este servidor es una fuente de datos, donde cualquier software con aplicacin basada en

OPC puede entrar al servidor y escribir o leer datos que ofrezca el servidor. Este tipo de

software ofrece una solucin al problema de drivers dentro de los softwares especializados

siendo una solucin abierta y flexible para ejercer el intercambio de datos.

Figura 1.4-1. Diagrama bsico del servidor OPC.

El servidor OPC ofrece algunas ventajas para los usuarios de softwares especializados en el

control, supervisin y adquisicin de datos.

Los fabricantes de Software especializado nicamente deben crear un conjunto de



37

aplicaciones, de ese modo los usuarios solo deben configurar o direccionar estos

conjuntos de aplicaciones para intercambiar datos entre sus softwares.

Los fabricantes no deben realizar cambios significativos en los drivers debido a cambios en el hardware.

Simplificar la integracin de softwares en un entorno homogneo.

o Arquitectura OPC Cliente / Servidor.

La arquitectura bsica del servidor OPC se representa de manera sinttica con la siguiente

figura 1.4-2.

Figura 1.4-2. Diagrama a bloques de la comunicacin va OPC.

o Aplicaciones del servidor OPC.

Como ya se ha dicho el servidor OPC sirve para el intercambio de datos entre softwares,

pero puede emplearse en las siguientes aplicaciones:

Bases de datos. Obtener datos para sistemas SCADA o DSC. Monitoreo y control de procesos (HMI). Simulacin de procesos.

Para lograr la comunicacin entre los softwares especializados de simulacin y

programacin, FluidSim y STEP7 con sus programas PLCSim y S7-GRAPH, es necesario

del uso de un servidor OPC especfico. El servidor OPC que ser utilizado para llevar a

cabo una herramienta para simular procesos electroneumticos, ser el Festo Didactic

EzOPC V5.3 versin en ingls. En la figura 1.4-3 se observa la pantalla principal del

servidor OPC que se utiliza para realizar el enlace entre FluidSim y STEP 7.



38

Figura 1.4-3. Pantalla del servidor OPC.

Se puede observar en la figura 1.4-3 que se encuentra seleccionado para la comunicacin entre el simulador FluidSim, y el controlador S7-PLCSim, mediante un controlador virtual

o servidor.

Se debe tener cuidado al momento de realizar la instalacin del servidor Festo Didactic

EzOPC V5.3, de que la PC no se encuentre descargando actualizaciones, ya que puede

producir errores o impedir la instalacin del servidor.

Con el tema del servidor OPC se concluyen las bases tericas para el diseo y simulacin

de secuencias electroneumticas gobernadas mediante un controlador lgico programable

S7-300 de la marca Siemens en un ambiente virtual.



39

CAPTULO 2 El software y su programacin.

Dentro de este captulo se conocern los softwares especializados de simulacin y

programacin para la creacin de una ptima herramienta virtual, para el diseo y

verificacin de secuencias electroneumticas gobernadas por un controlador lgico

programable, dentro de un ambiente virtual.

2.1 Festo FluidSim.

Es un popular software, desarrollado por la empresa alemana Festo, sirve para la

simulacin de sistemas neumticos y electroneumticos, funciona en el ambiente de

Microsoft Windows.

FluidSim es de fcil manejo para cualquier persona que desee obtener conocimientos

bsicos, ensear y relacionarse con la neumtica, este software es completamente didctico

y ofrece un fcil manejo del programa para el diseo y simulacin de sistemas neumticos

y electroneumticos, debido a esta caracterstica el usuario no necesitara ms que un tiempo

breve de prctica para poder desenvolverse gilmente en el uso del software para poder

disear diversos sistemas.

El software esta creado no solo con la finalidad del diseo y simulacin, tambin tiene

como objetivo la enseanza, es decir, el software mediante su simbologa, fotos,

presentaciones y breves pero concisas explicaciones de cmo funcionan los dispositivos,

ofrece los conocimientos bsicos de los elementos neumticos y elctricos que se emplean

para el control neumtico y electroneumtico.

Figura 2.1-1. Ventana de descripcin de un cilindro de doble

efecto.

Como una herramienta para la enseanza el software ofrece una seccin donde se puede

obtener informacin del dispositivo deseado, en la ventana de la figura 2.1-1 se puede ver

un ejemplo, una breve definicin de lo que es un cilindro de doble efecto, la caractersticas

de funcionamiento del dispositivo, smbolo y vnculos a internet para obtener informacin



40

ms detallada sobre los dispositivos. Esta informacin se presenta en diferentes idiomas y

el usuario puede seleccionarlo.

Tambin ofrece, para algunos dispositivos, mostrar una ventana donde se ven las fotos de

los dispositivos fsicos. En la figura 2.1-2 se observa la pantalla de FluidSim con el smbolo

y la fotografa de un cilindro de doble efecto.

Figura 2.1-2. Ventana de FluidSim con la foto de un cilindro de

doble efecto.

El software tambin ofrece la ventaja de mostrar un diagrama donde se puede observar el

funcionamiento del dispositivo seleccionado, en la figura 2.1-3 se observa un ejemplo de

esta accin con un cilindro de doble efecto.

Figura 2.1-3. Funcionamiento de un cilindro de doble efecto.

Para hacer uso de estas ventajas, es necesario de dar clic derecho sobre el smbolo del

dispositivo a conocer, posteriormente seleccionar los que se desea conocer, foto,

funcionamiento o descripcin del dispositivo. Se debe tomar en cuenta que estas acciones

no se encuentran disponibles para todos los dispositivos que trabaja el software.

FluidSim ofrece la caracterstica que de forma automtica revisa el circuito, para evitar que

existan dispositivos ocupando el mismo espacio, que se produzcan cortocircuitos o que se

tengan declaraciones repetidas con lo cual producira una mala actuacin de la simulacin

neumtica.



41

Como se ha dicho anteriormente el software de simulacin FluidSim es fcil de utilizar, a

continuacin se presenta la forma de trabajar en el software, para el desarrollo de procesos

electroneumticos controlados por PLC.

Dentro del ambiente de FluidSim se pueden diferenciar dos ventanas principales, la primera

y ms importante es la ventana de trabajo del software, esta se sita a la derecha y se

caracteriza por que al iniciar se encuentra en blanco. Del lado izquierdo se tiene la

biblioteca de componentes, en esta ventana se encontraran todos los dispositivos que

trabaja el software, en la figura 2.1-4 se tiene la ventana de la biblioteca de componentes.

Figura 2.1-4. Biblioteca de componentes de FluidSim.

Para comenzar a disear el proyecto, es necesario de arrastrar de la biblioteca de

componentes al rea de trabajo del software, en la figura 2.1-5 se observa la colocacin de

un cilindro de doble efecto, dos vlvulas estranguladoras y una electrovlvula 5/2.

Figura 2.1-5. Comienzo de un circuito electroneumtico.

Como se puede ver en la figura 2.1-5 la vlvula no tiene ningn tipo de control, para ello se

debe dar doble clic a la vlvula colocada y especificar sus caractersticas dentro de la

pantalla que abrir el software como la de la figura 2.1-6; para el ejemplo se le colocara un

solenoide a cada extremo, para que sea una electrovlvula biestable, y gobierno mecnico



42

mediante palancas. [1].

Figura 2.1-6. Configuracin de la vlvula.

Ahora se procede a conectar, esto se realiza mediante la seleccin de la primera terminal, se

da clic y sin soltar el curso se lleva hacia la otra terminal, donde se debe soltar el curso, en

este proceso se observa que cada que el curso se coloca sobre un posible punto de conexin

cambia su forma. En la figura 2.1-7 se observa el circuito de fuerza conectado entre el

cilindro, las vlvulas estranguladoras y la electrovlvula.

Figura 2.1-7. Conexin del circuito de fuerza.

Para la configuracin de las salidas de aire en la electrovlvula se debe dar dos clics en las

terminales de salida y se podr configurar la conexin de estas salidas y aceptar, en la

figura 2.1-8 se observa el ejemplo donde se colocaron silenciadores.

Figura 2.1-8. Configuracin de conexiones de la electrovlvula.



43

Ahora se le configura la regla de distancia al cilindro, donde se ubicarn los detectores final

de carrera, para realizar se debe dar doble clic sobre el cilindro, en la figura 2.1-9 se

observa la ventana que despliega el software.

Figura 2.1-9. Configurar cilindro.

Dar clic en configurar marcas de accionamiento, elegir la cantidad y las posiciones de los

detectores llenando la tabla y colocando los detectores con la distancia, considere que el 0

es la posicin totalmente retrada y el 100 la posicin totalmente expulsada. En la figura

2.1-10 se tiene la configuracin de dos detectores finales de carrera A0 y A1 colocados a

los extremos de la carrera del cilindro.

Figura 2.1-10. Regla de distancia.

Ahora se procede a dar nombre a las solenoides de la electrovlvula, para esto se debe

realizar doble clic sobre la electrovlvula a configurar, en la figura 2.1-11 se muestra el

apartado para dar marca o nombre a la solenoide.



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Figura 2.1-11. Configuracin de solenoide.

Ahora se colocar la alimentacin de aire comprimido para el circuito de fuerza, puede

colocarse el smbolo de alimentacin de aire para cuando es un solo cilindro o se desea

alimentacin independiente, pero en la figura 2.1-12 se observa que se utiliza 1

alimentacin para cinco cilindros, por lo tanto es necesario colocar entre la alimentacin de

aire comprimido y las electrovlvulas una unidad de mantenimiento.

Figura 2.1-12. Unidad de alimentacin de aire comprimido.

Ya finalizado el circuito de fuerza, se procede a insertar los mdulos o puertos de entradas

y salidas del PLC, as como la conexin del circuito de control por PLC. Para esto se deben

buscar y arrastrar al rea de trabajo los mdulos o puertos de entradas y salidas de

FluidSim, como se muestra en la figura 2.1-13, cada mdulo consta de ocho terminales y

pueden ser colocados tantos mdulos como se requieran para el control del proceso y como

lo permitan las caractersticas del PLC.



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Figura 2.1-13. Mdulos de entradas y salidas de FluidSim a PLC.

Se debe tener en cuenta que la lgica de estos puertos es la siguiente, los mdulos de

entradas al PLC son los puertos de salida de FluidSim (FluidSim Out), mientras que los

mdulos de salidas del PLC sern los puertos de entrada a FluidSim (FluidSim In).

Ya que se han colocado los puertos de entradas y salidas necesarios, se procede a conectar

los dispositivos de seal para el control de la secuencia en los mdulos de entradas del

PLC, es decir, los detectores final de carrera, los botones pulsadores y sensores, as como,

las solenoides en los mdulos de salida del PLC. En la figura 2.1-14 se muestra la insercin

de un botn pulsador, el cual ser configurado con el nombre (INI), para dar etiquetas o

nombres a los detectores y los botones pulsadores se debe dar doble clic sobre el

dispositivo.

Figura 2.1-14. Marca para un botn pulsador.

De la misma forma se insertan obturadores y se les da el mismo nombre que a los

detectores final de carrera, para que acten al momento que el cilindro los active, al dar

doble clic sobre un obturador muestra una ventana como la de la figura 2.1-15.



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Figura 2.1-15. Marca de un obturador.

Una vez que se tienen los detectores, sensores y pulsadores configurados y conectados a los

puertos de salida de FluidSim se procede a colocar los solenoides en los puertos de entradas

a FluidSim como se muestra en la figura 2.1-16.

Figura 2.1-16. Insercin de los solenoides.

Para dar una marca o nombre a las solenoides se debe dar doble clic sobre el dispositivo a

marcar, el sistema abrir la ventana de la figura 2.1-17, se debe dar los nombres a los

solenoides igual que en las electrovlvulas, de lo contrario el sistema marcar un error, se

deben tener tantos solenoides con en las electrovlvulas.

Figura 2.1-17. Solenoide de la electrovlvula A.



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Una vez que se tengan los solenoides configurados y conectados al puerto de entradas a

FluidSim, se deben colocar las alimentaciones, de 24Vdc ya que se simulan electrovlvulas

a 24 volts de corriente directa, para los dispositivos de seal se deben colocar el positivo o

+24Vdc, mientras que para los solenoides deben ser conectados a 0Vdc, como se muestra

en la figura 2.1-18.

Figura 2.1-18. Alimentacin del circuito de control por PLC.

Una vez que se tienen configurados los circuitos de fuerza y de control por PLC, se deben

configurar los puertos de entradas y salidas de FluidSim, para esto se debe hacer doble clic

sobre el puerto a configurar, el sistema desplegar una ventana como la de la figura 2.1-19.

Figura 2.1-19. Configuracin de puerto de FluidSim.

En la ventana desplegada se puede visualizar dos selecciones, el de la parte superior

corresponde a la seleccin del servidor OPC, mientras que el de la parte inferior

corresponde a la configuracin de la direccin del puerto de FluidSim con respecto al

mdulo de entradas o salidas digitales del PLC; al dar clic en el botn seleccionar de la parte superior mostrar la figura 2.1-20, para el ejemplo de esta integracin debe ser

seleccionada el FestoDidactic.EzOPC.1 (FestoDidactic.EzOPCV4.x), ya que ha sido seleccionado el servidor dar clic en OK.



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Debe tomarse en cuenta que para la configuracin de los puertos de entradas y salidas de

FluidSim se debe tener abierto y configurado el proyecto en el administrador SIMATIC, se

debe tener cargado el programa en el PLCSim, esto se realizar en el tema 2.2 y debe estar

ejecutado el servidor OPC.

Figura 2.1-20. Seleccin del servidor OPC.

Ya que se ha seleccionado el servidor OPC, regresar a la pantalla de la figura 74, y se

prosigue con la configuracin de la direccin del puerto, esta direccin debe corresponder a

los mdulos del controlador lgico programable, de lo contrario no reconocern el

intercambio de datos. Al pulsar el botn de seleccionar de la parte inferior desplegar la ventana de la figura 2.1-21, en donde se pueden visualizar los puertos de PLC, primero se

debe seleccionar el PLCSim, para que muestre los mdulos disponibles, estos se vern en la

parte derecha de la ventana, se prosigue a seleccionar los mdulos dando doble clic en la

direccin deseada, se debe tomar en cuenta que los puertos EB son para los mdulos de

entradas en el PLC y los AB corresponden a los mdulos de salida del PLC.

Figura 2.1-21. Direccin del puerto de salida de FluidSim.



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Una vez que se seleccion la direccin se debe dar clic en OK, en la pantalla de

configuracin del puerto aparecer la direccin seleccionada, como se muestra en la figura

2.1-22, si todo ha sido correcto se debe dar clic en aceptar.

Figura 2.1-22. Puerto de salida de FluidSim configurado.

Esta configuracin se debe realizar para cada mdulo, verificando que cada puerto tenga su

propia direccin y que correspondan con las entradas y salidas digitales del controlador

lgico programable, para lograr un buen desempeo. En la figura 2.1-23 se observa el

circuito de fuerza y control finalizados en el software FluidSim.

Figura 2.1-23. Circuito de fuerza y de control por PLC para un

dispositivo de control de pesado de latas.



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Con este ejemplo se pueden adquirir los conocimientos necesarios para la configuracin de

los Circuitos de control por PLC y de fuerza en FluidSim, para la simulacin de procesos

electroneumticos mediante la integracin de softwares.

2.2 Siemens STEP 7.

El programa STEP 7, es el software estndar desarrollado por la empresa alemana Siemens

para la programacin y configuracin de los sistemas de automatizacin SIMATIC.

Dentro de este software se encuentran cuatro tipos distintos de lenguajes de programacin,

proporcionando al usuario una variedad para el uso de estos dispositivos, segn le sea ms

cmodo.

1) Lenguajes literales.

Lenguaje AWL; (Alemn Anweisungsliste), Lista de instrucciones, en esta forma se insertaran los comandos con un formato de texto con lo cual se crean las funciones

del programa, con cdigos predeterminados. Ejemplo de un programa con lenguaje

AWL en la figura 2.2-1.

Figura 2.2-1. Programa de control de la secuencia A+B+B-A- en

lenguaje AWL.

2) Lenguajes grficos.

Lenguaje KOP; (Alemn Kontaks plan), Este lenguaje ofrece como funciones los smbolos para crear el diagrama en escalera con lo cual se crea el programa para el

PLC S7. Figura 2.2-2.

Lenguaje FUP; (Alemn Funktions plan), Este tipo de lenguaje utiliza bloques y los ordena segn la secuencia deba cumplir las condiciones, para la creacin de los

programas. Figura 2.2-3.



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Lenguaje S-7 GRAPH, este lenguaje utiliza la lgica del Grafcet, para la creacin de los programas.

Figura 2.2-2. Programa de control manual de un cilindro de doble

efecto en lenguaje KOP.

Esta variedad de lenguajes aporta un ajuste de comodidad para la programacin y uso del

STEP 7, ya que depender de cada programador segn sus conocimientos y su habilidad de

manejo del software la programacin con alguno de estos lenguajes o el conocimiento de

todos, de la misma manera siemens pone a disposicin algunos manuales bsicos de

operacin con los diferentes lenguajes de programacin.

Figura 2.2-3. Programa de control de la secuencia A+B+B-A- en

lenguaje FUP.

El software STEP 7 de siemens opera con diferentes tipos de datos, para que se realicen

operaciones, con la finalidad de dar al programador un mayor alcance en la realizacin de

programas empleando algn PLC S-7. [10].



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La programacin con STEP 7 da una pauta a realizar programas que controlen procesos

muy sofisticados, ya que, cuenta con libreras no solo para funciones bsicas como

contactos abiertos, cerrados y salidas, si no tiene una gran gama de libreras para emplear

funciones ms avanzadas como son, temporizadores, contadores, comparadores,

operaciones matemticas y convertidores de seal, entre otras funciones.

El STEP 7 es un software que no es necesario ser un programador para poder realizar

ejercicios o secuencias en l, debido a sus distintos lenguajes de programacin es muy

accesible y permite su uso mientras se va aprendiendo, incluso puede ser utilizado para el

aprendizaje de PLC y su programacin.

Este software no solo ayuda a programar y descargar las secuencias a los PLC de la familia

S7 de Siemens, tambin nos ayuda a monitorear el funcionamiento del PLC, por medio del

administrador SIMATIC, se renen todas las aplicaciones del software, para crear dentro de

un proyecto todos los datos y ajustes necesarios para la solucin de su tarea de

automatizacin.

Por medio del STEP 7 es que se sincronizan o se comunican los PLC S7 de Siemens con la

PC, se debe de configurar para que el sistema lo reconozca, pero el mismo software nos

ayuda a realizar todo esto, siguiendo las instrucciones de los manuales de usuario, tanto de

los PLC como del software para manejarlo, que es el STEP 7, simplemente es la base para,

el aprendizaje, la operacin, el monitoreo y la programacin de los PLC de Siemens de la

familia S7.

El STEP 7 ofrece la ventaja de poder observar el funcionamiento del programa con un

cdigo de colores, que indican cuando cada elemento esta energizado o en funcionamiento

y cuando no, mientras el programa se encuentra en ejecucin.

S7-PLCSim.

El PLCSim es una aplicacin, del software STEP 7 de Siemens, que est diseado para la

simulacin de los mdulos de un PLC S7.

Este simulador puede ser diseado, segn el programador necesite de los mdulos, es decir,

el programador se encargara de ir insertando los mdulos de entradas y de salidas en el

simulador del PLC, sern direccionados, y configurados para responder a los impulsos del

programa, en la figura 2.2-4 se observa la ventana del S7-PLCSim.

Figura 2.2-4. Ventana del simulador de PLC de Siemens PLCSim.



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Este simulador tambin cuenta con su panel para el estado del PLC, donde se puede

controlar para mandarlo al estado de RUN o STOP, mediante la seleccin de la casilla del

mdulo, de esta forma el PLC simulara estar en el modo de operacin correspondiente al

seleccionado por el programador.

El programador podr colocar tantos mdulos requiera, y no nicamente de mdulos de

entra y salida, tambin pueden ser insertados mdulos de contadores, de temporizadores,

marcas de bits, y acomodarlos como ms le convenga. Adems este software puede

encontrarse en modo ON u OFF, esto es, que puede manipular el programa en ejecucin o

que nicamente sea una simulacin.

Para configurar algn mdulo en el PLCSim, es necesario ir al men insertar y seleccionar

el tipo de mdulo que se desea insertar, tambin puede efectuarse desde la barra de

herramientas, seleccionar el mdulo deseado, o de manera ms directa pueden ser

insertados mediante pulsar la tec

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