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• Patricio Acuña Molina

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DEPARTAMENTO DE CAPACITACIÓN INSTITUTO PROFESIONAL VIRGINIO GÓMEZ

Nombre del Curso: Convertidor de frecuencia Empresa: Paneles arauco Agosto, 2013

Nombre del Curso

: Convertidores de frecuencia (VFD)

Duración Objetivo General

: 16 Horas : Al término del curso, los participantes lograrán explicar principios de funcionamiento de variadores de frecuencia, ver sus aplicaciones en la industria, además de la detección y diagnóstico de fallas.

Resumen de Contenidos: 1. Prueba de diagnóstico VFD (2 horas) 1.1 ¿Qué es un variador de frecuencia? 1.2 ¿Cuál es el principio de funcionamiento de un variador de frecuencia? 1.3 ¿Para que tipos de motor están diseñados los VFD? 1.4 ¿Qué es la velocidad nominal? 1.5 ¿Qué es una red de alimentación trifásica?. 1.6 ¿Qué es un sistema maestro-esclavo DP? 1.7 ¿Qué son los partidores suaves?

2. Descripción general del VFD (2 horas) 2.1 ¿Qué es un VFD?(explicación técnica) 2.2 Componentes de un VFD. 2.3 Conceptos básicos de un variador de frecuencia. 3. Aplicaciones a motores (4 horas) 3.1 Presentación Sinamic G120 y Conexionado de alimentación. 3.2 Conexión de VFD a motor. 3.3 Conexión de esclavo VFD. 3.4 Parametrización para puesta en marcha Via profibus DP (concepto esclavo), control unit y borneras 4. Detección de fallas (8 horas) 4.1 Descripción de fallas típicas. 4.2 Programación de maestro para obtención de datos de falla informados por el esclavo (VFD).

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Relator: Sr. Patricio Acuña Molina. Ingeniero Electrónico, Instituto Profesional Dr. Virginio Gomez

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OTROS ANTECEDENTES

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Metodología El curso se desarrollará de acuerdo a una metodología basada en el Aprender-Haciendo, a través de clases Teórico-Prácticas, altamente participativas y apoyadas con texto guía y elementos para el desarrollo práctico de los contenidos, talleres grupales e individuales.

Pre-Requisitos Lectura-Escritura. Evaluación al Participante Cada participante será evaluado con una calificación individual en escala de 1 a 7, la nota mínima de aprobación será 5.0 y que indica un 65% de cumplimiento con los contenidos del programa. Certificación A todos los participantes del curso que tengan como mínimo un 75% de asistencia, se les entregará un certificado (diploma) del OTEC que incluye el nombre del curso y la duración.

Lugar de Ejecución En dependencias de la empresa o del Instituto Profesional Virginio Gómez, Cochrane 32, Concepción. Horario Horario de 9:00 a 18:00 Hrs. Horario de a 12:30 a 15:30 Hrs. Fecha de Inicio y Término Jueves 29/08 y viernes 30/08

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2. Descripción general del VFD 2.1 ¿Qué es un VFD? Definicioón: Dispositivos electrónicos, que permiten el control completo de motores electricos de inducción; los hay de C.C. (variadores de Tensión) y de C.A. (variadores de frecuencia). Siendo los mas usados los para motores trifasicos de inducción y rotor sin bobina (jaula de ardilla).

Red de suministro: Acometida de C.A. monofasica en aparatos para motores de de hasta 1,5 KW; linea trifasica para motores de más potencia, hasta 630 KW Entradas y salidas(I/O): diferentes conexiones de entradas y salidas de control; pueden ser digitales tipo todo o nada (contactos, pulsadores, conmutadores, contactos de relé...) o analógicas mediante valores de tensión (0...10 V o similares) e intensidad (4...20 mA o similares). Además puede incluir terminales de alarma, avería, etc. Comunicaciones: estos dispositivos pueden integrarse en redes industriales, por lo que disponen de un puerto de comunicaciones, por ejemplo RS-232, RS-485, red LAN, buses industriales (ProfiBus...) o conexiones tipo RJ-45 o USB para terminales externos y ordenadores. Cada fabricante facilita el software de control, directo o mediante bus de comunicaciones. Que permitirá el control, programación y monitorización del variador (o variadores) en el conjunto de aparatos de control empleados. Salida: conexión al motor, generalmente de tres hilos (U-V-W) para conexión directa en triángulo o estrella según la tensión del motor.

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2.2 Componentes de un VFD: Diagrama de bloques de un VFD:

1.- Rectificador: partiendo de la red de suministro de c.a. monofásica o trifásica, se obtiene c.c. mediante diodos rectificadores. 2.- Bus de continua: condensadores de gran capacidad (y a veces también bobinas), almacenan y filtran la c.c. rectificada, para obtener un valor de tensión continua estable, y reserva de energía suficiente para proporcionar la intensidad requerida por el motor. 3.- Etapa de salida: desde la tensión del bus de continua, un ondulador convierte esta energía en una salida trifásica, con valores de tensión, intensidad y frecuencia de salida variables. Como elementos de conmutación, se usan principalmente transistores bipolares (BJT), CMOS o similares, IGBT, tiristores (SCR), GTO... etc. Las señales de salida, se obtiene por diversos procedimientos como troceado, mediante ciclo convertidores, o señales de aproximación senoidal mediante modulación por anchura de impulsos PWM. 4.- Control y E/S: circuitos de control de los diferentes bloques del variador, protección, regulación... y entradas y salidas, tanto analógicas como digitales. Además se incluye el interfaz de comunicaciones con buses u otros dispositivos de control y usuario.

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2.3 Conceptos básicos de un variador de frecuencia para un motor trifásico Velocidad (n): la velocidad en el eje de un motor asíncrono en rpm, depende del número de polos magnéticos del motor, y la frecuencia f (Hz), de la red de suministro:

Ejemplo: para red de 50 Hz:2p=1; n=3000rpm

2p=2; n=1500rpm

2p=3; n=1000rpm...etc.

La velocidad real de giro siempre es menor que la expresada, al ser motores asíncronos. La diferencia entre síncrona y asíncrona, se denomina deslizamiento, (σ ó s) que se expresa en porcentaje de rpm o en valor absoluto: síncrona = 1500 rpm ┐├ deslizamiento: σ = 4% ó 60 rpm asíncrona = 1440 rpm ┘ Los motores se fabrican para una velocidad nominal o de trabajo determinada, pero mediante el variador de frecuencia dicha velocidad puede controlarse de manera progresiva. Por ejemplo, un motor de 50 Hz y 1500 rpm (4 polos), podría girar, con variación de frecuencia entre 5 y 120 Hz a velocidades comprendidas entre: n = (60·5)/2 = 150 rpmyn = (60·120)/2 = 3600 rpm Sobre-velocidad: El variador puede proporcionar frecuencias de salida superiores a la de trabajo del motor, lo que le hace girar a mayor velocidad que la nominal. La curva de par, para velocidad de trabajo mayor de la nominal, disminuye, demanera que con velocidad doble (200%) el par cae a la mitad del nominal. La sobre velocidad es útil en aplicaciones que no requieren mucho par, como por ejemplo sierras de disco, pero si altas velocidades. En estos casos es importante tener en cuenta las características de par y temperatura de trabajo del motor.

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Par transmitido por el eje (par motriz): La fuerza de tracción del motor a través del eje, depende principalmente de las expresiones siguientes:

donde: T = par motriz (también suele usarse M o Mm) K y 9550 = constantes U = tensión aplicada al inductor (estator) f = frecuencia en Hz P = potencia del motor en kWn = velocidad (real) de giro del motor en rpm Por otro lado, el flujo magnético en los polos del motor (Ф), depende de la tensión: Par constante = flujo constante, en consecuencia:

El factor tiene especial importancia en la forma de configurar un variador, ya que de ahí dependerá el par motriz desarrollado por el motor, sin importar la velocidad de giro.

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Además, de la primera expresión de T, vemos que el par es proporcional a U2, de manera que si U/f es constante, el par dependerá de manera directa de la tensión: T ∝ U2

Tensión de arranque inicial: En el arranque de un motor con carga, es necesario aplicar un cierto par inicial mínimo, para garantizar que el motor empiece a girar. Esto se consigue, iniciando la marcha con un valor de tensión determinado UINI, de acuerdo a las relaciones (U/f) y TINI

La variación del par debe ser cuidadosa, para no exceder las características del motor ni sobrecargar el propio variador, especialmente en el arranque, ya que podría circular una intensidad de corriente elevada, y eso no lo permite el variador. Cuando el motor gira en las dos direcciones, el control del par puede ser igualmente importante, como por ejemplo un montacargas en subida y bajada con carga. En el primer caso, el control del par permite el arranque e inicio de la marcha, y en el segundo, hace la función de retención de la carga evitando el embalamiento del motor en la caída. (En cualquier caso, el variador no puede realizar las funciones de freno-motor; debiéndose instalar un freno-motor, de retención mecánica tipo magnético, disco, zapata, etc.)

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Protección del motor y variador: •

Los variadores proporcionan un valor de intensidad nominal IN en condiciones de trabajo normales, y permiten una cierta sobrecarga de breve duración. No se producen picos o puntas de arranque elevadas. (Consultar la documentación del variador). Ejemplo: Valor de IN ; sobrecarga: 200 % (t ≤ 0,5 s) 150 % (t ≤ 60 s)

•

Se incluyen las funciones del relé térmico de sobrecarga y propias del variador: falta de fase, temperatura interna, frenado, ventilador... etc. (Configurables)

•

Dispone de señales de alarma (contactos o salidas analógicas), y detecta los fallos de fase, inversión, sobre tensión... etc.

•

Externamente, es necesario instalar junto al variador un interruptor automático magnético, apropiado a la intensidad nominal a manejar. En los manuales del variador se indica el calibre de la protección, incluidos los fusibles, si se usaran.

•

El variador dispone de toma de tierra. Esta toma de tierra, no debe estar en contacto con bornes comunes de las entradas o salidas, analógicas y/o digitales. (Observar los esquemas de conexión y advertencias, en los manuales).

Temperatura de trabajo del motor: Los motores llevan incorporado un ventilador, que refrigera al motor en condiciones normales; al estar instalado en el propio rotor, el ventilador gira a su velocidad; cuando mediante el variador, el motor gira velocidades reducidas, el ventilador pierde eficacia, y en consecuencia, la temperatura del motor puede aumentar excesivamente:

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•

Cuando la relación par-velocidad se mantiene dentro de la zona 1, la temperatura del motor permanece en valores aceptables; en cambio cuando se le hace trabajar en la zona 2 (par de trabajo mayor del 50%) la temperatura aumenta y debe haber refrigeración suplementaria desde el exterior.

•

Algunos motores disponen en su interior de sondas de temperatura (resistencias PTC o similares), que pueden ser usadas con el variador en combinación de los sistemas de detección adecuados, para una protección total del motor.

•

Por otro lado, en caso de sobre velocidad, el ventilador interno del motor no es eficaz, ya que aumenta la resistencia por rozamiento con el aire, y tiende a provocar un sobreesfuerzo del propio motor, de manera que se necesitaría refrigeración externa.

Frenado: el frenado del motor, consiste en el descenso controlado de su velocidad, reduciendo la frecuencia aplicada. Se establece en unidades de tiempo, teniendo en cuenta que el par aplicado, sea constante o variable. Algunos casos de frenado: • •

Rampa lineal de parada: se ajusta el tiempo (en s) quedebe durar la parada. Generalmente válido a motorescon poca carga resistente a la velocidad (detención sin carga resistente o poca inercia). Frenado regenerativo: la inercia de la carga, tiende a hacer girar el motor más rápido que la frecuencia establecida por el variador (velocidad hipersíncrona), por lo que el motor actúa como generador. La energía que retorna al variador, se disipa mediante una resistencia o un dispositivo de frenado externo (no incluido con el variador).

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•

En sistemas de gran potencia (tren, grandes grúas de pórtico...), este efecto puede aprovecharse para recuperar parte de la energía, que es devuelta a la red, mediante variadores específicos con recuperación.

•

Inyección de c.c.: el variador, puede inyectar durante un breve periodo de tiempo, cierto valor de c.c., que provoca el frenado rápido del motor.

•

El bloqueo inesperado del motor (por bloqueo del rotor o fuerte sobrecarga), provocará una intensidad muy elevada, y la parada por sobrecarga del variador, con la activación de alarmas. El restablecimiento podrá ser manual o automático (según programación).

•

El frenado o bloqueo del motor una vez parado, debe conseguirse mediante otro procedimiento externo al variador: freno magnético, zapata, disco, etc.

Sentido de giro: El variador puede hacer girar el motor en ambos sentidos; inicialmente si se conecta la secuencia L1-L2L3 en fase al motor, girará a la derecha; algunos variadores disponen de entradas por contacto (todonada) para seleccionar el sentido (STF = start fordward, STR = start reverse). También puede hacerse mediante programación, o control externo, sea por pulsadores, autómata, analógico... etc. El cambio de sentido nunca será brusco, sino mediante rampas de deceleración, parada y aceleración controladas. Ventajas de uso del variador (frente al resto de arranques): •

Evita picos o puntas de intensidad en los arranques del motor. (Muy pronunciados en el arranque directo, en estrella-triángulo y medios con arrancadores progresivos).

•

El par se controla totalmente a cualquier velocidad, lo que evita saltos o bloqueos del motor ante la carga. (En un arrancador progresivo la regulación del par es dificil, ya que se basa en valores de tensión inicial).

•

No tiene factor de potencia (cos φ = 1), lo que evita el uso de baterías de condensadores y el consumo de energía reactiva (ahorro económico).

•

Comunicación mediante bus industrial, lo que permite conocer en tiempo real el estado del variador y el motor, así como el historial de fallos (facilita el mantenimiento).

•

Los arranques y paradas son controlados, y suaves, sin movimientos bruscos.

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•

Protege completamente el motor, el variador y la línea.

•

El consumo energético se adapta a la exigencia del motor (ahorro de energía).

•

Mediante contactores externos de bypass (puente) se puede utilizar un solo variador para el control secuencial de varios motores, tanto en arranque como en parada.

Desventajas: •

La instalación, programación y mantenimiento, debe ser realizada por personal cualificado.

•

Si no esta bien aislado (con filtros) o instalado, puede derivar ruidos e interferencias en la red eléctrica, que podrían afectar a otros elementos electrónicos cercanos.

•

Para aplicaciones sencillas puede suponer mayor inversión, que un sistema simple (contactorguardamotor), si bien a la larga se amortiza el gasto suplementario, por el ahorro energético y de potencia reactiva que aporta el variador.

•

Las averías del variador, no se pueden reparar in situ (hay que enviarlos a la casa o servicio técnico). Mientras tanto debe disponerse de otro variador equivalente, o dejar la instalación sin funcionamiento.

3. Aplicaciones a motores 3.1 Presentación sinamics G120 y conexionado de alimentación

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El OP se suministra a modo de opción destinada a incrementar la efectividad de la parametrización y el control del convertidor de frecuencia. Las señales de mando y la consigna de la velocidad se ajustan fácilmente oprimiendo las teclas al efecto. El OP permite leer juegos de parámetros de un convertidor y cargarlos en otro.

Teclas de función:

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Modificación de parámetros:

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Ejemplo P0003

Ejemplo P0719

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3.2 Conexionado VFD a motor:

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3.3 Conexión de esclavo: Es necesario para la instalación: • Terminales DB9 (180º o 90º) • Bus de comunicación profubus • Equipo BT-200 Instalación de archivo GSD: Al realizar una configuración profibus y el eslcavo no se encuentra en la librería de del PLC (maestro), se realiza una instalación de un archivo llamado GSD, el cual permite que el maestro pueda reconocer el equipo a configurar en la red. 1. Asegúrese que tiene acceso en el directorio de archivos de la PG/PC a los archivos GSD que hay que integrar. Los archivos deberían estar dentro en el disco duro, un disquete, un CD, etc. Los archivos GSD también pueden estar disponibles en un proyecto de STEP7. 2. Abra la configuración HW y cierre el proyecto allí abierto. 3. Seleccione la opción del menú "Herramientas -> Instalar archivos GSD".

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4. En el siguiente cuadro de diálogo, busque el lugar donde está archivado el archivo y haga clic sobre "Instalar". Se puede elegir si los archivos GDS se deben buscar en el directorio de archivos o en un proyecto de STEP7. Durante el proceso de instalación, se pueden indicar avisos (de error) (por ejemplo, que un archivo GSD determinado ya está instalado). Al terminar la instalación, el usuario puede dejar mostrar un protocolo.

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5. Actualice el catálogo Hardware con ayuda de la opción del menú "Herramientas -> Actualizar catálogo". En el catálogo de módulos se leen los esclavos, cuyos archivos GSD se hayan instalado tras el arranque del STEP 7. A continuación, los esclavos ya se pueden insertar en el proyecto de STEP 7. Los nuevos equipos instalados están disponibles ahora en el catálogo HW: Para PROFIBUS DP, bajo la carpeta "PROFIBUS DP -> Otros equipos de campo -> I/O ... Archivo de los archivos GSD en el disco duro: Los archivos GSD se guardan en e directorio "\Archivos de programa\Siemens\Step7\S7DATA\GSD".

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Nombre del archivo GSD del esclavo configurado: Haga doble clic con el botón izquierdo de ratón sobre el esclavo configurado en la configuración Hardware. El nombre del archivo GSD está disponible en el diálogo "Propiedades -> Esclavo DP", en la parte derecha junto con el número de referencia.

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Ahora para poder crear una red profubus y la conexión del esclavo se deben seguir los siguientes pasos: 1.- Configuramos en el HW config en nuestro equipo, que será el maestro DP 2.- Configuramos el sistema maestro DP

3.- Configuramos las propiedades del maestro DP

En la pestaña “general” configurar la red. En interface pulsar sobre botón “propiedades”

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Asignar una dirección de profibus y crear una red nueva. En la pestaña “ajustes de red” de la nueva red ajustar la velocidad de transferencia y seleccionar como perfil DP

ya se tiene la red profibus, donde se colaran los esclavos.

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para insertar el esclavo DP seleccionamos la librería de hardware.

seleccionamos el sistema maestro y hacemos doble clic sobre el esclavo y se indica la dirección profibus.

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Esta dirección es la que se debe configurar de manera mecánica en el esclavo.

ya de manera final se tiene la configuración de la red profibus.

En el esclavo Sinamics se encuentra un byte de direccionamiento de manera de poder asignar la dirección que fue configurada en la red, mediante el maestro.

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3.4 Parametrización para puesta en marcha Via profibus DP (concepto esclavo), control unit y borneras

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Detección de fallas

4.1Descripción de fallas típicas: Calidad de alimentación: Recientemente la calidad de la alimentación ha sido centro de atención por la alta demanda y la atención que requieren las unidades de control de corriente alterna y corriente directa. La penalidad por el factor de potencia y los costos energéticos han aumentado los variadores de frecuencia y otras cargas no lineales incrementando significativamente los niveles de distorsión de voltaje y corriente ¿ Cómo puede esta distorsión ser minimizada?, ¿Qué equipo es requerido? Los problemas de calidad de potencia y como estos afectan la salud del motor, distorsión armonica de voltaje y corriente, voltajes, desbalances y FP. Circuito de potencia: El circuito de potencia de refiere a todos los conductores y conexiones que existen desde el punto donde se realice la prueba hasta los bornes terminales del motor. Este puede incluir interruptores, fusibles, contactores, protecciones por sobre carga, seccionadores y borneras Condiciones de aislamiento: Se refiere a los aislamientos entre los devanados y tierra. Altas temperaturas, Humedad y contaminación dan lugar a una disminución de la vida del aislamiento. Se ha dicho que si las plantas solo usaran el secado de aislamiento , entonces el alargamiento de la vida de los motores no es garantizado. Condiciones del estator: Hacemos referencia a los devanados DC o trifásicos AC, aislamiento entre las espiras de los devanados y el núcleo o laminaciones. Estas zonas de fallas crean mucho debate en cuanto a la causa y el tipo de fallo. Condiciones del rotor: Se refiere a la barras del rotor, a las laminaciones y anillos del rotor. El rotor aunque en contadas ocasiones puede influir en fallas de otras zonas. Entrehierro: Referencia al aire entre el estator y el rotor, si este espacio no esta bien distribuido, puede producir campos magnéticos desiguales. Estos desbalances causan movimientos en los devanados del estator, provocando fallas en ellos y vibración eléctricamente inducida afectando al variador. Mala instalación del fabricante:

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Por no leer las condiciones que se deben respetar en el proceso de instalación, tales como temperatura ambiente, posición de instalación, fuente de alimentación, vibraciones, etc se puede reducir la vida útil de variador. 4.2 Programación de maestro para obtención de datos de falla informados por el esclavo (VFD). Cada esclavo DP dispone de datos de diagnóstico creados profibus. Con ayuda de la función del sistema SFC13 "DPNRM_DG" (lectura de los datos de diagnóstico de un esclavo DP) se leen los datos de diagnóstico actuales de un esclavo DP La siguiente tabla muestra la estructura de los datos de diagnóstico del esclavo.

Si un esclavo PROFIBUS DP con capacidad de diagnóstico reconoce un cambio en su estado de diagnóstico, solicita una alarma de diagnóstico a la CPU: • •

Existe un fallo o se debe esperar a un componente, o ambos (evento entrante) Ya no existe un fallo y no se debe esperar a ningún componente (evento saliente)

A continuación, el sistema operativo llama al OB82. El OB82 dispone de la dirección lógica básica en sus variables locales, así como una información de diagnóstico de 4 bytes de longitud del esclavo que ha solicitado el diagnóstico. Descripción del programa ejemplo: OB1En el OB1 se llama a la función del sistema SFC13 "DPNRM_DG" para leer los datos de diagnóstico de la estación ET 200S. La siguiente tabla muestra las entradas del SFC13 "DPNRM_DG".

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La siguiente tabla muestra las salidas del SFC13 "DPNRM_DG".

El proceso de lectura se inicia cuando se pone a "1" la entrada REQ al llamar al SFC13 "DPNRM_DG". La entrada REQ del SFC13 "DPNRM_DG" se queda a "1" al llamar al OB82.En la entrada RECORD del SFC13 "DPNRM_DG" se indica la zona destino en la que se guardan los datos de diagnóstico leídos al realizarse correctamente la transferencia de datos. En este ejemplo, los dato de diagnóstico se guardan en el bloque de datos DB82.Cuando acaba el proceso de lectura, la entrada REQ vuelve a valer "0" para que pueda volver a arrancar un nuevo proceso de lectura.

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OB82 Si la estación esclava realiza una solicitud de diagnóstico, la entrada REQ del SFC13 "DPNRM_DG" se pone a "1". Al llamar al SFC13 "DPNRM_DG" en el OB1, la entrada REQ se pone a "1" para que se pueda arrancar un proceso de lectura.En las variables locales del OB82 se guarda la dirección lógica básica de la estación ET 200S. En el OB82 se asigna la dirección lógica básica de la estación ET 200S con la entrada LADDR del SFC13 "DPNRM_DG".

Evaluación de los datos de diagnóstico en el programa de usuarioLos datos de diagnóstico, que se leen con el SFC13 "DPNRM_DG" y se guardan en el DB82, son evaluados en el OB1. La estación ET 200S dispone de los siguientes módulos en este ejemplo: ← Módulo 1: módulo de alimentación ← Módulo 2: módulo de salidas digitales DO ← Módulo 3: módulo de entradas digitales DI ← En el programa de usuario se recogen los siguientes estados de los módulos indicados arriba, mediante la evaluación de los datos de diagnóstico. • • • •

Módulo correcto Fallo en el módulo Módulo erróneo No se ha conectado ningún módulo

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