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Entornos Integrados de Automatización
Armonizando la manera en que la
gente ve el control
Harmonizing the way people look to
control
el futuro está aquí
Felipe Mateos Martín
Profesor de la Universidad de Oviedo
Universidad de Oviedo - Area de Ingeniería de Sistemas y Automática
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Entornos Integrados de Automatización
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
Universidad
Oviedo - Area de Ingeniería de Sistemas y Automática
Por qué? Cual
es elde problema?
1
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Out of the jungle
La actual variedad de problemas puede
reducirse ampliamente a través de la
estandarización
... and such a standard is available
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Entornos Integrados de Automatización
IEC 1131-3
“Lo mejor que ha ocurrido en
el control industrial”
Sugar Lantic en Automation Maillist
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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
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Entornos Integrados de Automatización
Lenguajes de Programación IEC 1131-3 /
Industrial Control Programming
El interface entre el programador y el sistema de control
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Lenguajes de Programación IEC 1131-3 /
Industrial Control Programming
...con soporte para personas con
diferentes niveles de formación
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El Estándar IEC 1131-3
Elementos Comunes
Lenguajes de Programación
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IEC 1131-3 : Elementos Comunes
Elementos 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
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IEC 1131-3 : Elementos Comunes
Elementos Comunes
a.o.
Tipos de Datos y
Variables
como:
BOOL
BYTE
INTEGER
REAL
DATE
TIME_OF_DAY
STRING
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IEC 1131-3 : Elementos Comunes
Tipos de datos y
Variables
además:
Sus propios tipos de datos
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IEC 1131-3 : Elementos Comunes
Elementos Comunes
a.o.
Tipos de Datos y
Variables
Configuración
Recursos
Tareas
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Modelo Software IEC 1131
Configuración
Función de Comunicación
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Modelo Software IEC 1131
Configuración
Recurso
Recurso
Función de Comunicación
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Entornos Integrados de Automatización
Modelo Software IEC 1131
Configuración
Recurso
Tarea
Recurso
Tarea
Tarea
Tarea
Función de Comunicación
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Modelo Software IEC 1131
Configuracion
Recurso
Recurso
Tarea
Tarea
Tarea
Tarea
Programa
Programa
Programa
Programa
Control de la
ejecución
Función de Comunicación
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Entornos Integrados de Automatización
Modelo Software IEC 1131
Configuración
Recurso
Tarea
Recurso
Tarea
Tarea
Tarea
FB
Bloque
Funcional
Programa
Programa
FB
Programa
FB
Programa
FB
FB
Control de la
ejecución
Vías de Acceso
Función de Comunicación
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Entornos Integrados de Automatización
Modelo Software IEC 1131
Configuración
Recurso
Tarea
Variable vía
de acceso
Recurso
Tarea
Tarea
Tarea
FB
Bloque
Funcional
Programa
Programa
FB
Programa
FB
Programa
FB
FB
Variables globales y directas
Variable
Control de la
ejecución
Vía de Acceso
Función de Comunicación
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IEC 1131-3 vs PLC convencional
Configuración
Recurso
Tarea
Variable vía
de acceso
Recurso
Tarea
Tarea
Tarea
FB
Bloque
Funcional
Programa
Programa
FB
Programa
Programa
FB
FB
FB
Variables Globales y Directas
Variable
Control de la
ejecución
Vía de Acceso
Función de Comunicación
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IEC 1131-3 : Elementos Comunes
ELEMENTOS 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_INPUT
A, B
: REAL;
C
: REAL := 1.0;
END_VAR
SIMPLE_FUN := A*B/C;
END FUNCTION
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…. & Bloques Funcionales
Bloques Funcionales Estándar
I NPUT OUTPUT I N_OUT EXTERNAL
FUNCTION_BLOCK
Type Local
Hysterisis
REAL
REAL
REAL
XIN1
XIN2
EPS
Q
BOOL
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Entornos Integrados de Automatización
…. & Bloques Funcionales
Bloques Funcionales Estándar
Bloques Funcionales
suministrados adicionalmente
I NPUT OUTPUT I N_OUT EXTERNAL
FUNCTION_BLOCK
Type Local
Hysterisis
REAL
REAL
REAL
XIN1
XIN2
EPS
Q
BOOL
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Entornos Integrados de Automatización
…. & Bloques Funcionales
Bloques Funcionales Estándar
Bloques Funcionales
suministrados adicionalmente
Sus propios Bloques
Funcionales
I NPUT OUTPUT I N_OUT EXTERNAL
FUNCTION_BLOCK
Type Local
Hysterisis
REAL
REAL
REAL
XIN1
XIN2
EPS
Q
BOOL
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…. & Bloques Funcionales
Bloques Funcionales Estándar
Bloques Funcionales
suministrados adicionalmente
Sus propios Bloques
Funcionales
Todos los FBs son altamente
reutilizables en el mismo
programa, diferentes
programas e incluso en
diferentes proyectos
I NPUT OUTPUT I N_OUT EXTERNAL
FUNCTION_BLOCK
Type Local
Hysterisis
REAL
REAL
REAL
XIN1
XIN2
EPS
Q
BOOL
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Entornos Integrados de Automatización
Ejemplo de Bloque Funcional
REAL
REAL
REAL
Hysterisis
XIN1
Q
XIN2
EPS
BOOL
Q
1
0
EPS
EPS
XIN2
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Entornos Integrados de Automatización
Ejemplo de Bloque Funcional
FUNCTION_BLOCK HYSTERISIS
REAL
REAL
REAL
Hysterisis
XIN1
Q
XIN2
EPS
VAR_INPUT
XIN1, XIN2 : REAL;
BOOL
EPS : REAL; (* Hysterisis band *)
END_VAR
VAR_OUTPUT
Q : BOOL := 0
END_VAR
IF Q THEN
Q
IF XIN1 < (XIN2-EPS) THEN
1
END_IF;
Q := 0 (* XIN1 decreasing *)
ELSIF XIN1 > (XIN2 + EPS ) THEN
0
Q := 1; (* XIN1 increasing *)
EPS
END_IF;
EPS
END_FUNCTION_BLOCK
XIN2
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Entornos Integrados de Automatización
Programas : diseño jerárquico
Start : BOOL;
Emergency : BOOL;
Limit : INT;
Automation
application
INPUT
OUTPUT
IN_OUT
EXTERNAL
FUNCTION_BLOCK
PROGRAM
Type
Type
Local
Local
GLOBAL
INPUT
FUNCTION
Type
Local
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IEC 1131-3 : Elementos Comunes
ELEMENTOS COMUNES
a.o.
Tipos de Datos
Variables
Unidades de Organización de Programas
* Funciones
* Bloques Funcionales
* Programas
Configuración, Recursos, Tareas
Cuadro Funcional Secuencial
* Etapas
* Transiciones
* Bloques de Acción
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Entornos Integrados de Automatización
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
Etapa 1
N
FILL
Transición 1
Etapa 2
Facilita el rápido diagnóstico de
problemas en el algoritmo de
control
S
Empty
Transición 2
Etapa 3
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Entornos Integrados de Automatización
Cuadro Funcional Secuencial, SFC
Potente técnica gráfica para
describir el comportamiento
secuencial de un programa de
control
Step 1
N
FILL
Transition 1
Se usa para particionar un
problema de control
Step 2
Facilita el rápido diagnóstico de
problemas en el algoritmo de
control
S
Empty
Transition 2
Los elementos son ETAPAS con
BLOQUES DE ACCIÓN y
TRANSICIONES
Step 3
Permite secuencias alternativas y
paralelas
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Entornos Integrados de Automatización
SFC : Secuencias en paralelo
Etapa 1
Transición 1a
Etapa 2 a
S
Empty
N
FILL
Transición 1b
Etapa 2 b
Transición 2a
S
Empty
Transición 2b
Etapa 3
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El Estándar IEC 1131-3
Elementos Comunes
Lenguajes de Programación
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Los Lenguajes de Programación
IEC 1131-3
Lista de Instrucciones
LD
A
ANDN
B
ST
C
Texto Estructurado
C:= A AND NOT B
Diagrama de Bloques Funcionales
AND
A
Diagrama de Escalera
A B
C
C
-| |--|/|----------------( )
B
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Entornos Integrados de Automatización
Diagrama de Escalera (LD)
Estandarizado, rationalized set of
relay ladder programming symbols
Based on well-known North american
style of programming, resembling UStype of electrical drawing standard
A B
C
-| |--|/|----------------( )
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Entornos Integrados de Automatización
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
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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
AND
A
C
Química
B
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El Estándar IEC 1131-3
Top Down
Elementos Comunes
Lenguajes de Programación
Bottom Up
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Entornos de Programación IEC
Muchos 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
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Un ejemplo
Sistema de Control de Fermentación
cortesía de Omron Electronics
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Proceso de Fermentación
Agitator
Feed valve
Acidic reagent
Alkali reagent
Temperature
sensor
pH sensor
Heater band
Harvest valve
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Entornos Integrados de Automatización
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 demanded
by 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 program
TempControl
Heat
Heat
SetPoint
TempSensor
PV
Cool
Cool
pHSensor
pHControl
AddAcid
MainSequence
Start
Stop
Duration
Start
Temp
Stop
pH
Duration
AddAcid
SetPoint
AddAlkali
AddAlkali
PV
AgitateControl
Agitation
MotorSpeed
FillState
SetPoint
MotorSpeed
PV
AgitateSpeed
ValveControl
Fill
Fill
State
ValvePositions
Harvest
Harvest
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Entornos Integrados de Automatización
Main sequence SFC
Shows the main
process states
S1
N
Initialisation
S2
N
Filling
S3
N
Heating
S4
N
Fermenting
S5
N
Harvesting
S6
N
Cleaning
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Entornos Integrados de Automatización
Las Acciones y Transiciones
se pueden programar en
cualquiera de los cuatro
Lenguajes de Programación
IEC 1131-3
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Entornos Integrados de Automatización
¿Cual es el beneficio de este Estándar?
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Usuarios? Qué Usuarios?
Discrete Mnf
Process cntrl
Usted ??
Integrador de sistemas
Educación
Programación
Mantenimiento
Instalación
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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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Entornos Integrados de Automatización
¿Cual es el beneficio de este Estándar?
Reduced waste of human resources (in training,
debugging, maintenance and consultancy)
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Entornos Integrados de Automatización
¿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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Entornos Integrados de Automatización
¿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)
Reduced misunderstandings and errors
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Entornos Integrados de Automatización
¿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)
Reduced misunderstandings and errors
Programming techniques usable in more environments
(general industrial control)
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Entornos Integrados de Automatización
¿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)
Reduced misunderstandings and errors
Programming techniques usable in more
environments (general industrial control)
Combining harmonously different components from different
locations, companies or countries, or projects
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Entornos Integrados de Automatización
¿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)
Reduced misunderstandings and errors
Programming techniques usable in more
environments (general industrial control)
Combining harmonously different
components from different locations,
companies or countries, or projects
Increased connectivity (investment protection)
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Entornos Integrados de Automatización
¿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)
Reduced misunderstandings and errors
Programming techniques usable in more
environments (general industrial control)
Combining harmonously different
components from different locations,
companies or countries, or projects
Increased connectivity (investment
protection)
Software
Library
Function Block
"Heating"
Function
"LIMIT"
Function
"TEST"
Function Block
"Turning"
Function Block
"Feeding"
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Entornos Integrados de Automatización
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…...
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Entornos Integrados de Automatización
.. El problema de la Gallina y el Huevo
Usuarios vs. Proveedores
Ven los beneficios del estándar
pero necesitan productos
que cubran sus necesidades
uncertainty about its effect
elección estrátegica
high investment (SW + HW)
uncertain on ROI
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La Associación PLCopen
Standardization in Industrial Control Programming
What does PLCopen want and do
and how does it effect you
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Entornos Integrados de Automatización
La Tecnología necesita estandares
nadie /
ninguna compañía
puede hacerlo por sí misma
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Cambio en la importancia de los estándares
Estandares
Internacionales
Estandares
Nacionales
Estandares de
Compañías
Past
Present
Future
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Entornos Integrados de Automatización
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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Entornos Integrados de Automatización
¿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
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Entornos Integrados de Automatización
Programando en su entorno
Database Tools
Visualización / HMI
Project design
Tools
Documentation
Tools
Programming
Tools
Debugging Tools
Networking Tools
Configuration
Tools
Simulation Tools
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Entornos Integrados de Automatización
Organización
PLCopen
Standardization in Industrial Control programming
BOM,
BOM, MD
MD&&General
GeneralMeeting
Meeting
TC1
TC1
TC2
TC2
TC3
TC3
TC4
TC4
TC5
PC2
PC1 PC2
TC5 PC1
TECNICOS
PC3
PC3
PC4
PC4
MARKETING
COMITÉS
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Entornos Integrados de Automatización
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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Entornos Integrados de Automatización
TC2: Funciones
Convenios de llamadas a Bloques Funcionales
Definición de librerías de Bloques Funcionales
… por ejemplo: Motion Control Profile: the integration of
different technologies
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Entornos Integrados de Automatización
TC3 : La esencia de la conformaidad
sin 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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Entornos Integrados de Automatización
TC3: Niveles de conformidad de PLCopen
Full Compliance Level
Portability of applications
Application
Program
FB
Variable
Code
Body
FB
FB
Variable
Variable
Code
Code
Body
Body
Portability Level &
X-Reusability Level
Portability of Function (Block)
libraries
Base Level
Portability of minimal systems
Application
Program
FB
Variable
Code
Body
FB
FB
Variable
Variable
Code
Code
Body
Body
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Entornos Integrados de Automatización
Compliancy: Portability Level
Definition Portability Level
Portability Level provides the exchange of
Functions 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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Entornos Integrados de Automatización
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)
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Entornos Integrados de Automatización
Conformidad: Resultados
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Entornos Integrados de Automatización
e
uag
ng
s
Libraries
Sim
ula
tio
n
La
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 for
standard solutions
Communications
Compliancy levels build a foundation for:
PLCopen Compliancy Levels
Universidad de Oviedo - Area de Ingeniería de Sistemas y Automática
GENIA
Entornos Integrados de Automatización
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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Entornos Integrados de Automatización
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
Universidad de Oviedo - Area de Ingeniería de Sistemas y Automática
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Entornos Integrados de Automatización
General Promotion
PC1: General Promotion
PC3: Promotion North America
PC4: Promotion Japan
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Entornos Integrados de Automatización
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)
Universidad de Oviedo - Area de Ingeniería de Sistemas y Automática
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Entornos Integrados de Automatización
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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40
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Entornos Integrados de Automatización
PLCopen as a World-wide association
Sede Principal en Europa
Sede en EE.UU.
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