/
ISBN: 5-98003-0794
Text
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ
КАФЕДРА СИСТЕМ И ТЕХНОЛОГИЙ УПРАВЛЕНИЯ
Н.А. БАБАКИНА, М.П. КОЛЕСНИКОВ
СОВРЕМЕННАЯ ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2013
УДК.681.5
Рецензент:
Доктор технических наук, профессор, заместитель начальника управления ОАО
«Холдинговая компания ''Ленинец''»
Ю.М.Смирнов
Бабакина Н.А., Колесников М.П. Современная промышленная электроника/
Под ред. проф. Шкодырева В.П. – СПб.: СПбГПУ, 2013. – 267 с.: ил.
Учебное пособие соответствует содержанию дисциплин вузовского компонента
Б3.ДВ1
«Современная
промышленная
электроника»
государственного
образовательного стандарта по направлению 230100 «Информатика и вычислительная
техника» и Б3.В2 «Современная промышленная электроника»
государственного
образовательного стандарта по направлению 220400 «Управление в технических
системах».
Рассмотрены принципы построения и компоненты автоматизированных систем
управления технологическими процессами на основе международных и региональных
стандартов. Особое внимание уделяется разработке архитектуры, составлению
алгоритмов и программированию систем автоматизации на базе пакета Step 7
компании Siemens AG.
Предназначено
для
студентов,
обучающихся
по
направлениям
220400
«Управление в технических системах» и 230100 «Информатика и вычислительная
техника».
Ил. 123. Табл. 28. Библиогр.: 35 назв.
2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................................................6
1 ОСОБЕННОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ УСТРОЙСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ.........................7
2 ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ КОНТРОЛЛЕРЫ И СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКОМАШИННОГО ИНТЕРФЕЙСА.....................................................................................................10
2.1 Определение ПЛК.................................................................................................................10
2.2 Ведущие производители современных ПЛК......................................................................11
2.3 Языки программирования ПЛК...........................................................................................12
2.4 Определение системы человеко-машинного интерфейса.................................................15
2.5 Контрольные вопросы..........................................................................................................16
3 СЕМЕЙСТВО ПЛК Siemens Simatic S7.....................................................................................17
4 РАБОТА С ПЛК Siemens Simatic S7-200....................................................................................27
4.1 Внешний вид.........................................................................................................................27
4.2 Архитектура аппаратной части............................................................................................29
4.3 Аппаратные особенности CPU 224XP................................................................................30
4.3.1 Цифровые и аналоговые выходы. Подключение приводов.......................................33
4.3.2 Цифровые и аналоговые входы. Подключение датчиков..........................................41
4.3.3 Применение модулей расширения S7-200..................................................................49
4.4 Особенности программирования. Применение Step 7-Micro/WIN..................................53
4.5 Цикл работы системы...........................................................................................................84
4.6 Организация памяти.............................................................................................................87
4.7 Базовые логические и арифметические инструкции.........................................................93
4.8 Система прерываний ПЛК Siemens Simatic S7-200...........................................................95
4.9 Таймеры и счётчики..............................................................................................................97
4.10 Управление аналоговыми устройствами с использованием широтно-импульсной
модуляции...................................................................................................................................102
4.11 Контрольные вопросы......................................................................................................105
5 РАБОТА С СИСТЕМОЙ ЧМИ Siemens Simatic TP177 micro................................................108
5.1 Внешний вид и общие характеристики............................................................................108
5.2 Особенности программирования. Применение WinCC Flexible....................................110
5.3 Базовые элементы интерфейса оператора........................................................................139
5.4 Контрольные вопросы........................................................................................................147
3
6 ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ. ЧАСТЬ I.....................................................................................149
6.1 Лабораторная работа №1. Вычислительные системы на базе ПЛК Siemens Simatic S7200...............................................................................................................................................149
6.2 Лабораторная работа №2. Измерение, преобразование и графическое представление
цифровых и аналоговых сигналов в промышленных системах............................................151
7 УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПРИВОДАМИ НА БАЗЕ MICROMASTER...........155
7.1 Общие сведения о системе управления асинхронными и синхронными
электрическими машинами Micromaster 440..........................................................................155
7.2 Подключение Micromaster 440 к программируемым логическим контроллерам S7200/300........................................................................................................................................158
7.3 Настройка Micromaster 440 с внешним управлением.....................................................161
8 АППАРАТНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПЛК Siemens Simatic S7-300 и S7-400...........................164
8.1 Аппаратные особенности Siemens Simatic S7-300..........................................................164
8.2 Подключаемые модули для ПЛК Siemens Simatic S7-300..............................................168
8.3 Аппаратные особенности Siemens Simatic S7-400..........................................................169
8.4 Подключаемые модули для ПЛК Siemens Simatic S7-400..............................................173
8.5 Контрольные вопросы........................................................................................................180
9 ПРОГРАММИРОВАНИЕ ПЛК S7-300/400..............................................................................181
9.1 Программы системы комплексной автоматизации STEP 7.............................................181
9.2 Организация проекта системы..........................................................................................183
9.3 Задание аппаратной конфигурации используемых устройств.......................................186
9.4 Создание сетевой конфигурации системы.......................................................................192
9.5 Особенности организации программы.............................................................................196
9.5.1 Организационные блоки – OB...................................................................................201
9.5.2 Функции – FC..............................................................................................................204
9.5.3 Блоки данных – DB.....................................................................................................206
9.5.4 Функциональные блоки – FB.....................................................................................207
9.5.5 Структуры данных, определяемые пользователем..................................................208
9.6 Контрольные вопросы........................................................................................................209
10 ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ. ЧАСТЬ II..................................................................................211
10.1 Лабораторная работа №3. Разработка программы управления асинхронным
двигателем на базе ПЛК Siemens Simatic S7-200/300.............................................................211
4
10.2 Лабораторная работа №4. Цифровая фильтрация сигналов на базе ПЛК Siemens
Simatic S7-200/300......................................................................................................................215
11 ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ.....................................................................................................220
11.1 Существующие типы промышленных сетей. Модель OSI...........................................220
11.2 Шинная топология на базе RS-485..................................................................................223
11.3 Шина PROFIBUS..............................................................................................................225
11.4 Сеть PROFINET................................................................................................................228
11.5 Работа с сетью ПЛК Siemens Simatic S7-200.................................................................231
11.5.1 Конфигурация ПЛК S7-200 для работы с сетью....................................................232
11.5.2 Случай свободно программируемого порта...........................................................234
11.5.3 Использование PPI для передачи данных...............................................................235
11.6 Работа с сетью ПЛК Siemens Simatic S7-300/400..........................................................236
11.6.1 Взаимодействие с ПЛК Siemens Simatic S7-200.....................................................237
11.6.2 Обмен данными с использованием PROFIBUS......................................................238
11.6.3 Обмен данными с использованием PROFINET......................................................241
11.7 Применение технологии OPC..........................................................................................244
11.7.1 Общие сведения.........................................................................................................244
11.7.2 Создание OPC-сервера на базе WinCC Flexible......................................................246
11.7.3 Общие сведения о SCADA-системах......................................................................248
11.8 Контрольные вопросы......................................................................................................250
12 ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ. ЧАСТЬ III................................................................................253
12.1 Лабораторная работа №5. Обмен данными в промышленных сетях MPI/PROFIBUS и
PROFINET..................................................................................................................................253
12.2 Лабораторная работа №6. Взаимодействие ПЛК с персональным компьютером на
базе технологии OPC.................................................................................................................257
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................................................................261
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................................................262
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Структура отчёта о лабораторной работе...................................................265
ПРИЛОЖЕНИЕ B. Список тем курсовых работ.........................................................................266
5
ВВЕДЕНИЕ
Курс «Современная промышленная электроника» позволяет студентам изучить
особенности, архитектуру, основы настройки и программирования современных
систем
промышленной
автоматизации
в
соответствии
с
действующими
международными стандартами.
С
одной стороны, рассматриваются наиболее востребованные в сфере
промышленной автоматизации задачи и их типовые решения (автоматическое
измерение физических величин и обработка результатов, системы сбора данных,
управление исполнительными механизмами, построение отказоустойчивых систем
управления производством и т. д.). С другой стороны, учитывая возрастающую
сложность объектов управления и технологических процессов, курс имеет целью
научить студентов работать с нормативной и технической документацией, чтобы
иметь возможность самостоятельно разрабатывать технические решения, исходя из
особенностей конкретного объекта управления на основе действующих стандартов.
Сведения, приводимые в настоящем учебном пособии, безусловно, не являются
исчерпывающими. Авторы авторы имеют цель обратить внимание студентов на те
аспекты, которые наиболее важны при изучении курса «Современная промышленная
электроника»,
а
также
указывают
учебную,
справочную
и
нормативную
документацию, в которой содержатся подробные и актуальные сведения по
аппаратной конфигурации и технических характеристикам устройств, программному
обеспечению и коммуникационным протоколам.
6
1 ОСОБЕННОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ УСТРОЙСТВ
АВТОМАТИЗАЦИИ
Если рассмотреть стандартную архитектуру современной автоматизированной
системы управления (АСУ) некоторым технологическим процессом или объектом
[1, с.19], можно заметить, что для неё характерна определённая иерархия (см. рисунок
1.1).
Рисунок 1.1 – Архитектура АСУ
Самое очевидное различие определяется логической удалённостью устройства
управления от объекта управления (физически все элементы АСУ могут находиться в
непосредственной близости друг от друга или, напротив, быть разнесёнными на
7
значительные расстояния) и количеством объектов управления, связанных с одним
устройством. Принято выделять т. н. полевой уровень (условия, в которых находятся
объекты управления) и средства управления верхнего уровня.
Промышленные средства управления и сбора данных обладают рядом отличий
от «офисных» информационных систем и электронных устройств, используемых в
лабораторных или бытовых условиях.
Прежде всего, это конструктивные особенности: промышленное исполнение и
наличие средств взаимодействия с объектом управления. Промышленные условия
эксплуатации предполагают устойчивость к таким факторам, как повышенный
уровень влажности, вибрации, напряжённости электромагнитного поля, содержание
механических и химических примесей в воздухе (пыль, агрессивные соединения) и
т. п. Также очевидно, что устройства промышленной автоматизации связаны с
объектами управления, и должны включать в себя модули ввода-вывода некоторых
сигналов, преобразователи физических величин.
С программной точки зрения на промышленные электронные устройства
возлагаются задачи, не имеющие высокой математической сложности или требований
к графическому интерфейсу. Количественные характеристики вычислительных и
запоминающихся устройств (объём оперативной и постоянной памяти, тактовая
частота процессора, разрядность шин и др.) по современным меркам представляются
более чем скромными. В то же время, характерно разделение областей памяти в
соответствии
с
энергонезависимой
некоторым
памяти.
технологическим
функционалом,
Программирование
систем
использование
автоматизации
осуществляется в основном на хорошо документированных и стандартизованных
языках низкого и среднего уровня. Разработчику пользовательской программы в
данном случае важнее хорошо представлять особенности технологического процесса
и алгоритм автоматизации, чем обладать высокими навыками в программировании.
Третьим важным моментом является стандартизация устройств промышленной
автоматики.
соответствие
Международная
международным
электротехническая
стандартам
комиссия
8
(МЭК;
серии
англ.
МЭК
61131.
International
Electrotechnical Commission, IEC) является ведущим разработчиком стандартов,
систем оценки и других вопросов, существенных для международной торговли
средствами электротехники, электроники и сопутствующих отраслей и их применения.
Публикации МЭК являются основной при разработке национальных стандартов1.
Серия стандартов МЭК 61131 относится к программируемым контроллерам и
связанным с ними периферийным устройствам и разрабатывается в пяти проблемноориентированных областях:
Часть 1: Общая информация (2 редакция, опубликована в 2003г.).
Часть 2: Требования к оборудованию и испытания (3 редакция, опубликована в
2007г.).
Часть 3: Языки программирования (3 редакция, опубликована в 2013г.).
Часть 4: Руководства пользователя (2 редакция, опубликована в 2004г.).
Часть 5: Коммуникации (1 редакция, опубликована в 2000г.).
Часть 6: Функциональная безопасность (1 редакция, опубликована в 2012г.).
Часть 7: Программирование нечёткой логики (1 редакция, опубликована в 2000г.).
Часть 8: Руководящие указания по применению и реализации языков
программирования (2 редакция, опубликована в 2003г.).
1
Источник: http://iec.gost.ru/wps/portal/ (по состоянию на март 2013 года).
9
2 ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ
КОНТРОЛЛЕРЫ И СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКОМАШИННОГО ИНТЕРФЕЙСА
2.1 Определение ПЛК
Программируемый логический контроллер (ПЛК; англ. Programmable Logic
Controller, PLC) - это цифровая электронная система, предназначенная для
автоматизации технологических процессов. ПЛК представляет собой дискретный
автомат, имеющий конечное число входов и выходов, подключенных к объектам
управления посредством датчиков, ключей, исполнительных устройств [2], [3].
Конечно, функционал современных ПЛК не ограничен логическими операциями. Эти
устройства
могут
осуществлять
цифровую
обработку
сигналов,
управление
приводами, регулирование и др. В иностранной литературе и стандартах используется
термин «программируемый контроллер (ПК)». Однако в России аббревиатура ПК
устойчиво связана с персональным компьютером, и для программируемых
контроллеров применяется аббревиатура ПЛК [2].
Конструктивно ПЛК может иметь модульное исполнение или представлять
собой моноблок - один корпус с небольшим количеством встроенных входов и
выходов. Этот форм-фактор иногда обозначается как микро-ПЛК (например, ПЛК
Siemens Simatic семейства S7-200) [3], [4]. В этом случае ПЛК часто ошибочно
называют микроконтроллером. При этом, в отличие от устройства, способного
выполнять некоторые логические операции и выполненного на одном кристалле, ПЛК
имеет
системное
конфигурируемый
программное
функционал,
обеспечение
средства
объектами управления и другие отличия.
10
(операционную
взаимодействия
с
систему),
пользователем
и
2.2 Ведущие производители современных ПЛК
Практически
все
крупные
производители
промышленной
и
бытовой
электроники уделяют внимание выпуску ПЛК и необходимой периферии ввиду их
повсеместной
востребованности.
Ведущими
производителями
средств
промышленной автоматизации являются такие компании, как:
•
Allen Bradley (в составе Rockwell Automation);
•
Beckhoff;
•
Festo;
•
Mitsubishi Electric;
•
Schneider Electric;
•
Siemens AG и др.
В рамках практических занятий по курсу предусмотрено подробное изучение ряда
промышленных электронных устройств и программного обеспечения Siemens AG,
позволяющих рассмотреть практически все аспекты автоматизации современного
предприятия:
•
ПЛК семейства Simatic S7 (серии S7-200/300/400);
•
системы человеко-машинного интерфейса Simatic HMI (англ. Human-Machine
Interface);
•
промышленные сети на основе технологий Simatic NET;
•
серия измерительных преобразователей SITRANS;
•
серия преобразователей MICROMASTER 440 и др.
11
2.3 Языки программирования ПЛК
Языки программирования ПЛК определяются стандартом МЭК 61131-3
(Программируемые контроллеры – Часть 3:
Языки программирования). Можно
отметить, что до 1997г. номера стандартов МЭК были четырёхзначными, и иногда
можно
встретить
«устаревшее»
обозначение
стандарта
«Программируемые
контроллеры»: МЭК 1131.
В некоторой степени регламент объединил существующие на момент
разработки первой редакции (1992г.) средства программирования. В основном это
относится
к
ассемблероподобным
микроконтроллеров.
программы
для
С
другой
ПЛК,
текстовым
стороны,
которая
языкам
предпочтительно,
позволит
программирования
чтобы
автоматизировать
разработка
определённый
технологический процесс или работу некоторого механизма, была бы максимально
наглядной. Выше было сделано замечание, что процесс программирования должен
быть доступен техническому персоналу, работающему с объектом автоматизации, а не
только специалистам в области собственно программирования. В этих случаях удобно
было бы использовать графическое представление программы.
В соответствии с вышесказанным, стандарт предоставляет возможность
разработки пользовательской программы на различных языках (представлениях
исходного кода): текстовых ST (Structured Text), IL (Instruction List) и графических LD
(Ladder Diagram), FBD (Function Block Diagram), SFC (Sequential Function Chart). При
этом различные части прикладной программы могут быть написаны на любом из
доступных языков. С некоторыми ограничениями, эти языки (представления
программы) являются взаимозаменяемыми.
•
IL (Instruction List) – Список инструкций. Ассемблероподобный текстовый
язык низкого уровня.
•
ST (Structured Text) – Структурированный текст. Текстовый язык высокого
уровня, содержащий конструкции типа IF ... THEN ... ELSE, WHLE ... DO
12
(условных и безусловных циклов), булевы и арифметические операторы и
другие средства.
•
LD, LAD (Ladder Diagram) – Релейно-контактные схемы. Наглядный
графический язык программирования, формирующий логические условия и
результат операции в виде электрической схемы, по которой ток либо протекает
(если результат логической операции равен TRUE), либо нет (если результат
равен FALSE).
•
FBD (Function Block Diagram) – Функциональные блоковые диаграммы.
Графический язык, представляющий программу как последовательность
логических (функциональных) блоков.
•
SFC (Sequential Function Chart) – Последовательные функциональные
диаграммы. Графический язык высокого уровня, позволяющий описать
технологический процесс как переходы между наборами определённых
состояний.
Каждый из языков поддерживает описанные стандартом МЭК 61131-3 наборы
функций и функциональные блоки.
Стандартные функции:
•
битовые инструкции (И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, НЕ, циклический
сдвиг вправо/влево, смещение вправо/влево);
•
числовые
функции
(арифметические
и
тригонометрические
операции,
вычисление модуля, натурального логарифма, показательные функции и др.);
•
преобразования типов;
•
функции выбора (операции сравнения);
•
функции выбора (операции работы со строками: определение длины,
объединение, поиск и извлечение фрагмента и др.);
13
•
функции, определяемые пользователем и производителем.
Функциональные блоки:
•
счётчики (прямые, обратные, комбинированные);
•
таймеры (таймер импульса, таймер с задержкой включения/отключения, часы
реального времени и др.);
•
дифференцирование переднего и заднего фронта импульса;
•
блоки синхронизации состояний (триггеры SR/RS с синхронизацией по
определённому входу);
•
функциональные блоки, определяемые пользователем и производителем.
Стандарт МЭК 61131-3 определяет также доступные элементарные типы данных :
•
булев тип данных (Bool);
•
целочисленный тип (Short Integer, Integer, Double Integer, Long Integer);
•
беззнаковый
целочисленный
тип
(Unsigned
short
integer,
Unsigned
integer,Unsigned double integer, Unsigned long integer);
•
вещественный тип (Real, Long Real);
•
байтовые строки переменной длины (String, WString);
•
битовые строки постоянной длины (8, 16, 32, 64 бита);
•
типы данных и времени (Time, Date, Time_Of_Day, Date_And_Time);
•
типы данных, определяемые пользователем и производителем.
При этом разработчик программы не ограничен существующими типами
данных, операциями и функциональными блоками. МЭК 61131-3 содержит языковые
14
конструкции, позволяющие определить пользовательские типы данных, функции,
библиотеки, которые являются равноправными стандартным.
На основе описанного стандарта производители ПЛК и периферийных
устройств или сторонние разработчики программного обеспечения (существуют
аппаратно независимые среды разработки 2) предоставляют средства настройки,
конфигурирования и программирования, в которых реализована поддержка всех
регламентированных МЭК 61131-3 языков, типов данных и функций. Как правило,
производители аппаратного обеспечения предоставляют также некоторые расширения
«обязательного» функционала. Например, Siemens AG для ПЛК семейства Simatic S7
предоставляет поддержку как стандартного набора команд МЭК 61131-3 и
графических языков LD и FBD (с дополнительным ПО также SFC), так и
собственного набора команд Simatic с поддержкой дополнительно текстового языка
STL (Statement List), меньшим временем исполнения и расширенным набором
операций.
2.4 Определение системы человеко-машинного интерфейса
Устройства и системы человеко-машинного интерфейса (ЧМИ; англ. HumanMachine Interface, HMI) – это средства взаимодействия оператора или наладчика
технологического
оборудования
с
системой
автоматического
управления
(контроллерами, коммутационным оборудованием, программным обеспечением).
Средства ЧМИ предоставляются для каждой модели (семейства) ПЛК как
гарантированно совместимые.
Стандартом МЭК 61131-1 ЧМИ определен как периферийные устройства,
снабжённые средствами ввода/вывода информации (кнопками, индикаторами,
клавиатурами, сенсорными дисплеями) и служащие интерфейсом оператору.
Назначением ЧМИ является обеспечение оператора всей необходимой информацией
2
Например, программные комплексы CoDeSys, OpenPLC.
15
для мониторинга установки или процесса и возможностью взаимодействия с
прикладной программой ПЛК для настройки, выбора алгоритма и т. п. [2].
2.5 Контрольные вопросы
1. Какие устройства понимаются под программируемыми логическими
контроллерами (ПЛК)?
2. Перечислите отличия ПЛК от микроконтроллеров.
3. Перечислите конструктивные особенности ПЛК.
4. Какой международный стандарт регламентирует изготовление и
программирование устройств промышленной автоматизации?
5. Какие языки программирования ПЛК определены как стандартные?
6. Какие языки программирования возможно использовать для ПЛК семейства
Siemens Simatic S7?
7. Какие устройства понимаются под системами человеко-машинного интерфейса
(ЧМИ)?
16
3 СЕМЕЙСТВО ПЛК Siemens Simatic S7
Как уже ранее было сказано, компания Siemens является одним из ведущих
производителей систем автоматизации для нужд промышленности. Программируемые
логические контроллеры данной фирмы широко распространены, причём не только
самые современные модели, но и те, которые разрабатывались достаточно давно. В
связи с этим перед тем, как приступить к рассмотрению семейства контроллеров
Simatic S7 опишем краткую историю развития направления автоматизации у фирмы
Siemens.
Начиная с середины 50-х годов XX века компания Siemens-Schuckerwerke AG (в
настоящее время Siemens AG) занималась проектированием систем управления на
базе полупроводниковой технике. В 1958-м году данной компанией была
зарегистрирована торговая марка Simatic, являющаяся аббревиатурой слов Siemens и
Automatic. И уже в 1959 году был представлен первый контроллер Simatic G, который
по сути представлял блок управления, использующий логические элементы, такие как
И, ИЛИ и НЕ, созданные по принципу резисторно-транзисторной логики (наиболее
простой вариант электронных ключей на биполярных транзисторах). Дальнейшее
развитие решений автоматизации можно проследить по следующей таблице.
Таблица 3.1 ─ Развитие систем автоматизации Siemens Simatic
Год начала Обозначение
выпуска
изделий
Функции управления
1959
Simatic G
Блок управления.
Не является свободно
программируемым.
1964
Simatic N
Simatic H
Блок управления.
Не является свободно
программируемым.
17
База электронных
компонентов
Логические элементы,
построенные на основе
резисторно-транзисторной
логики (RTL)
Логические элементы,
построенные на основе
диодно-транзисторной логики
(RTL)
Год начала Обозначение
выпуска
изделий
1971
1971
1975
Функции управления
База электронных
компонентов
Simatic C1
Simatic C2
Блок управления.
Не является свободно
программируемым.
Логические элементы,
построенные на основе
высокоуровневой логики
(HLL)
Simatic C3
Блок управления.
Не является свободно
программируемым.
Логические элементы,
построенные на основе
транзисторно-транзисторной
логики (TTL)
Simatic S3
Блоки управления.
Не являются свободно
программируемыми.
На основе Simatic C3
1978
1979
Simatic S5
1992
Simatic S7
Программируемые
логические
контроллеры
(не выпускается с
2005г)
Программируемые
логические
контроллеры
Логические элементы на базе
ТТЛ
Логические элементы на базе
КМОП и ТТЛ
В показанной выше таблице два последний семейства – Simatic S5 и S7 выделены,
чтобы подчеркнуть существенное отличие их от предыдущих семейств и моделей. По
сути изделия семейства S5 были первыми в линейке устройств автоматизации,
которые могли быть уже свободно запрограммированы для задания требуемых
функций управления. Литера 'S', присутствующая в названии семейства, является
сокращением от слова «Step». Соответственно, пакеты программирования для данных
семейств имеют названия «Simatic Step 5» и «Simatic Step 7».
Дальнейшая наша работа будет связана с программируемыми логическими
контроллерами семейства Simatic S7. Поэтому рассмотрим данное семейство ПЛК
подробнее. Все контроллеры семейства S7 являются модульными устройствами
автоматизации и делятся по уровням сложности решаемых задач автоматизации.
18
Рассмотрим в начале классические типы контроллеров.
1. ПЛК Siemens Simatic S7-200
Типовой вид контроллера данного уровня представлен на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 ─ Вид контроллера S7-200 в
составе CPU 224 и коммуникационного модуля
Контроллеры данной серии являются устройствами управления начального уровня и
предназначены для решения простейших задач промышленной автоматизации. Их
иногда
называют
«микро-ПЛК»,
заметим,
однако,
что
называть
их
«микроконтроллерами» неверно.
Основной особенностью данных ПЛК является наличие у процессорных
модулей (CPU) цифровых, а для некоторых моделей и аналоговых, каналов ввода
вывода для подключения датчиков и приводов без применения дополнительных
модулей расширения. Наличие штатного разъём для подключения к промышленным
сетям позволяет использовать данный контроллер в паре с каким-либо устройством
человеко-машинного
интерфейса
на
абсолютно
автономных
промышленных
установках и агрегатах без применения других средств автоматизации.
С точки зрения программирования данный контроллер имеет значительные
19
отличия от ПЛК среднего и высокого уровня интеграции, для которых используется
Simatic Step 7. Именно поэтому для работы с центральными процессорами S7-200
необходима программа Simatic Step 7 Micro/WIN.
2. ПЛК Siemens Simatic S7-300
Типовой вид контроллера данного уровня представлен на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2 ─ Вид контроллера S7-300 имеющего в своём составе блок питания,
CPU и сигнальные модули
Контроллеры данной серии являются устройствами управления среднего уровня и
предназначены для решения задач промышленной автоматизации низкой и средней
степени сложности.
Для
данных
ПЛК
присуща
ярко
выраженная
модульная
структура,
позволяющая задать тот уровень аппаратной поддержки и производительности,
который требуется для решения конкретной задачи автоматизации. Так, используя
сигнальные и интерфейсные модули, можно реализовать до 65536 дискретных и 4096
аналоговых каналов связи для подключения датчиков и приводов. Высокая
20
производительность центральных процессоров позволяет на уровне операционной
системы осуществлять работу в режиме реального времени, поддерживать обработку
аппаратных прерываний, а также обработку программных и аппаратных ошибок.
Контроллеры S7-300 поддерживают как локальный, так и распределённый вводвывод,
позволяющий
размещать
сигнальные
или
функциональные
модули
непосредственно у объектов, в то время как центральный процессор может
находиться на значительном расстоянии.
В настоящее время существуют следующие варианты этих контроллеров:
•
Simatic S7-300 – стандартный тип модульного ПЛК серии S7-300;
•
Simatic S7-300C – контроллеры типа Compact, созданные на базе ПЛК S7-300,
но имеющие некоторые встроенные функции и (или) модули;
•
Simatic S7-300T – контроллеры типа Technology, созданные на базе ПЛК S7300,
имеющие
встроенные
функции
для
решения
задач
управления
перемещением;
•
Simatic S7-300F – контроллеры типа Fail-safe, созданные на базе ПЛК S7-300,
имеющие встроенные функции для реализации распределённых систем
автоматики повышенной безопасности;
•
Siplus S7-300 – контроллеры серии S7-300, созданные для работы в тяжёлых
условиях.
Типы модулей ПЛК S7-300:
•
PS – power supply – источники питания;
•
CPU – central processor unit – центральные процессоры;
•
SM – signal module – сигнальные модули;
•
CP – communication module – коммуникационные модули;
•
FM – functional module – функциональные модули;
21
•
IM – interface module – интерфейсные модули.
На данный момент можно считать, что контроллеры серии S7-300 в следствие их
достаточно высокой производительности и широким аппаратным возможностям по
сравнению с S7-200, и невысокой ценой, по сравнению с S7-400, являются одними из
самых востребованных и распространённых ПЛК среди всего семейства Siemens
Simatic S7.
3. ПЛК Siemens Simatic S7-400
Типовой вид контроллера данного уровня представлен на рисунке 3.3.
Рисунок 3.3 ─ Вид контроллера S7-400 имеющего в своём
составе блок питания, CPU и сигнальные и коммуникационные
модули
Контроллеры данной серии являются устройствами управления высокого уровня и
предназначены для решения задач промышленной автоматизации средней и высшей
22
степени сложности.
Значительно увеличенная по сравнению с серией S7-300 производительность
данных контроллеров, а также улучшенная аппаратная архитектура позволяет решать
сложные задачи автоматизации с использованием всего одной монтажной стойки с
одним модулем центрального процессора. По сравнению с S7-300 для контроллеров
данной серии с программной точки зрения практически нет ограничений на
количество сигнальных каналов ввода-вывода. Дополнительным преимуществом
данной
серии
является
возможность
создания
систем
с
резервированием,
позволяющих решать задачи автоматизации, где требуется повышенная надёжность и
безотказность работы.
В настоящее время существуют следующие варианты данных контроллеров:
•
Simatic S7-400 – стандартный тип модульного ПЛК S7-400;
•
Simatic S7-400F – контроллеры типа Fail-safe, построенные на базе ПЛК S7-400,
имеющие встроенные функции для реализации распределённых систем
автоматики повышенной безопасности;
•
Simatic S7-400H – контроллеры типа High-availability, построенные на базе
ПЛК S7-400,
реализующие
функции
резервирования
для обеспечения
повышенной надёжности и безотказности работы.
Контроллеры S7-400 часто используются со станциями распределённого ввода-вывода
ET200, что позволяет создать систему автоматизации гибридного типа, где
управляющим устройством является модуль CPU S7-400, а сигнальные модули
принадлежат серии S7-300. Данное решение позволяет не только реализовать
распределённый ввод-вывод, но также снизить расходы на создание такой системы.
В настоящее время компания Siemens создаёт линейку новых ПЛК и
программного обеспечения семейства Simatic S7. Помимо различного рода
усовершенствований,
отличительной
особенностью
новых
ПЛК
является
использование интерфейса стандарта PROFINET (один из типов Industrial Ethernet) в
23
качестве основного, пришедшего на смену низкоскоростному интерфейсу MPI,
который является базовым для классических контроллеров Simatic S7. Программное
обеспечение тоже претерпело ряд изменений, направленных на большую интеграцию
и
возможность
разработки
полного
комплекса
автоматизации
целиком
для
предприятий. Рассмотрим подробнее современные варианты контроллеров S7.
1. ПЛК Siemens Simatic S7-1200
Типовой вид контроллера данного уровня представлен на рисунке 3.4.
Рисунок 3.4 ─ Вид контроллера S7-1200 имеющего в своём
составе блок питания, CPU и сигнальный и коммуникационный
модули
Рассматриваемые контроллеры разработаны для замены уже устаревшей серии S7200. Они, как и ПЛК Simatic S7-200, являются устройствами управления начального
уровня и применяются для решения простейших задач автоматизации.
Как и у контроллеров S7-200, процессорные модули серии S7-1200 также
имеют в своём составе встроенные цифровые, а у некоторых и аналоговые каналы
ввода-вывода. В остальном данные ПЛК имеют значительные отличия от
предшественника. Приведём основные изменения:
•
применение универсальной шины данных для подключения дополнительных
24
модулей, что позволило сделать данные ПЛК совместимыми с базовым
программным обеспечением Simatic Step 7;
•
применение
стандартной
структуры
программы
(проекта)
для
ПЛК,
создаваемой в системе Simatic Step 7;
•
переход к стандартной адресации и распределению памяти, в отличие от S7200;
•
использование сетевого интерфейса PROFINET в качестве базового.
Программирование контроллеров данной серии производится в среде TIA Portal
(Totally Integrated Automation Portal), в состав которой входит Simatic Step 7 Basic
начиная с версии 10.5.
2. ПЛК Siemens Simatic S7-1500
Типовой вид контроллера данного уровня представлен на рисунке 3.5.
Рисунок 3.5 ─ Вид контроллера S7-1500 имеющего в
своём составе блок питания, CPU с панелью оператора,
коммуникационный и сигнальные модули
25
Контроллеры серии S7-1500 принадлежат новому поколению ПЛК в линейке Simatic
S7. Данные устройства в соответствии с представленными собственными и
сравнительными характеристиками должны заменить серию Simatic S7-300 и
большинство контроллеров серии Simatic S7-400 [5].
Отличительными характеристиками данных контроллеров являются:
•
повышенная скорость и пропускная способность внутренней шины;
•
значительно увеличенный объём памяти данных и памяти программ;
•
увеличение скорости отработки блоков программ;
•
увеличение количества таймеров, счётчиков и других элементов;
•
встроенные функции управления, такие, как ПИД-регулятор, управление
движением и т. д.
•
использование PROFINET как стандартного интерфейса;
Однако, на данный момент при значительном технологическом преимуществе серия
ПЛК Simatic S7-1500 не может применяться при решении задач, где требуется
резервирование
для
обеспечения
надёжности,
а
также
для
автоматизации
непрерывных процессов.
Отдельно отметим, что новые серии ПЛК Siemens Simatic имеют ту же самую
структуру программы, что и ПЛК классических серий S7-300, S7-400. Это значит, что
специалист, имеющий знания и опыт работы с классическими сериями ПЛК сможет
достаточно просто освоить и новые продукты Siemens Simatic S7-1200 и S7-1500.
26
4 РАБОТА С ПЛК Siemens Simatic S7-200
Как было сказано в предыдущей главе при рассмотрении семейства Siemens
Simatic S7, устройства серии S7-200 являются средствами автоматизации нижнего
уровня, если говорить об иерархически сложной системе, т. е. средствами управления
отдельными машинами или «локализованными» технологическими процессами.
Вместе с тем, задачи управления, которые могут быть реализованы на базе этих ПЛК,
весьма разнообразны [4].
Контроллеры серии Simatic S7-200 представлены рядом моделей с различными
центральными процессорными модулями: CPU 221, CPU 222, CPU 224, CPU 224XP,
CPU 226, и модулями расширения. Поэтому целью данной главы является планомерное систематическое изучение данных центральных процессоров, особенностей их
программной и аппаратной архитектуры. Учитывая, что значительная часть времени
при изучении данных ПЛК в рамках курса «Современная промышленная электроника» отводится на работу в лаборатории, то при дальнейшем рассмотрении большее
внимание будет уделяться центральному процессору CPU 224XP (6ES7 214-2AD230XB0).
4.1 Внешний вид
Учитывая особенности промышленных средств автоматизации первоначальное
знакомство с ПЛК Simatic S7-200 необходимо начать с представления и описания его
внешнего вида. Прежде чем дать такое описание заметим, что одной из отличительных черт устройств автоматизации семейства Siemens Simatic S7 является описание
типа и важных характеристик непосредственно на корпусе самого устройства. Это
позволяет значительно снизить временные затраты при разработке систем автоматизации или проведении диагностических и ремонтных работ.
27
Как было сказано выше, при проведении лабораторных работ используются
центральные процессорные модули CPU 224XP. Их внешний вид представлен на
рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 ─ Внешний вид и расположение индикации
и разъёмов ПЛК Siemens Simatic S7-200, CPU 224XP
На рисунке 4.1 номерами обозначены следующие элементы:
1
– клеммы аналоговых входов и выходов;
2
– клеммы цифровых выходов и питания ПЛК;
3
– клеммы цифровых входов и питания датчиков;
4
– индикаторы логического состояния цифровых выходов;
5
– индикаторы логического состояния цифровых входов;
6
– индикаторы состояния CPU;
7
– два независимых разъёма (интерфейса) для подключения к промышленным
сетям (MPI) на базе RS-485;
8
– номер CPU в серии;
9
– код устройства по классификации Siemens.
28
Дополнительно отметим, что в правой части ПЛК под крышкой находится разъём для
подключения дополнительных модулей расширения, а также трёхпозиционный
тумблер, задающий режим работы CPU.
Для определения технических характеристик конкретного ПЛК всегда следует
обращать внимание на код заказа устройства (order number) по классификации
Siemens, а не только на номер CPU, поскольку контроллеры могут отличаться наличием (отсутствием) и типом периферийных модулей, также типом источника питания
(от сети постоянного или переменного тока), объёмами памяти, количеством таймеров
счётчиков, скоростью работы и т. д. Рассмотрим подробнее особенности аппаратной
части ПЛК S7-200 на примере CPU 224XP.
4.2 Архитектура аппаратной части
Рассмотрим схематическое изображение CPU 224XP представлено на рисунке 4.2.
Рисунок 4.2 ─ Схематическое представление ПЛК
Siemens Simatic S7-200, CPU 224XP
После общего знакомства с внешним видом ПЛК (см. рисунок 4.1) рассмотрим более
детально аппаратные особенности данного CPU. Первоначально дадим общие
характеристики аппаратной части.
29
4.3 Аппаратные особенности CPU 224XP
Одно из самых первых, с чем должен быть ознакомлен любой инженер, работающий с устройствами промышленной автоматизации, это уровни напряжений и токов,
мощностные характеристики используемых устройств. Без этих знаний невозможно
будет включить устройство, произвести необходимую коммутацию с датчиками и
приводами, проводить анализ неисправностей.
Используемые уровни напряжений
Современные устройства автоматизации могут обрабатывать как цифровые, так и
аналоговые сигналы, подключаться к различным источникам питания. Основные
характеристики для энергоснабжения и параметры сигналов, предусматриваемые
стандартами для устройств промышленной автоматизации [6]-[7], представлены в
следующей таблице.
Таблица 4.1 ─ Типы и уровни напряжений, используемые в устройствах
автоматизации
Тип
Подтипы
Сеть
переменного
тока
Напряжение
питания
Сеть
Характеристики
однофазная
L ~220В
многофазная
С изолированной нейтралью: L ~220В;
без нейтрали: ∆L ~380В
Однопостоянного
(много-)фазная
тока
Сигналы
однополярные
Управление напряжением: V=[0,
+10]В;
управление током: I;
двухполярные
Управление напряжением: V=[-10,
+10]В;
управление током: I;
Промышленный
Уровень лог. «1»: ≈ 24В
аналоговые
цифровые
L =24В
30
устройства
Уровень лог. «0»: ≈ 0В
ТТЛсовместимые
Уровень лог. «1»: ≈ 5В
Уровень лог. «0»: ≈ 0В
В таблице 4.1 рассмотрены лишь основные характеристики электрических управляющих сигналов и линий энергоснабжения. Поясним приведённые данные.
Энергоснабжение средств автоматизации может производиться как сетью переменного тока, так и сетью постоянного тока. Отличие для самих устройств будут в
наличии или отсутствии внутреннего блока питания, который, делает необходимые
преобразования. Приборы, которые подключаются к сети постоянного тока 24В являются более безопасными в обращении и не приведут к значительному вреду здоровья
в связи с типом и уровнем напряжения [8]. Однако, для подключения таких приборов
необходимо достаточно близкое расположение блоков питания, чтобы обеспечить
наименьшее падение напряжения на подводящей энергосети. В отличие от приборов,
подключаемых к сети постоянного тока, устройства, подключаемые к сети переменного тока не требуют дополнительных источников питания (все необходимые
преобразования электроэнергии производятся внутри самого прибора), могут располагаться на значительных расстояниях от первичных преобразователей (трансформаторов) не имея при этом значительных потерь. Однако при работе с такими устройствами требуется соблюдение норм безопасности [8], позволяющие предотвратить
ошибки, которые могут стоить жизни.
Для дальнейшей работы сделаем пояснения по используемым обозначениям:
•
L1 – фаза сети переменного тока (AC);
•
N – нейтраль для сети переменного тока
•
L+ – клемма положительной полярности для сети постоянного тока (DC);
•
M – клемма отрицательной полярности для сети постоянного тока;
31
Международный стандарт МЭК 60446-2007 [9] предполагает следующее цветовое
разделение для кабелей энергоснабжения:
Клемма
Цвет оплётки провода
L1 или L+
коричневый
N или M
синий
заземление ⊥
жёлто-зелёный
Вернёмся к изучаемому CPU 224XP (6ES7 214-2AD23-0XB0). Так, согласно документации [4], данный модуль может подключаться только к сети постоянного тока 24В
для обеспечения общего энергоснабжения. Клеммы для его подключения находятся в
верхней правой части устройства и обозначены как L+ и M (см. рисунок 4.1 и 4.2). В
нижней правой части ПЛК также имеются клеммы L+ и M. Они являются выходными
клеммами и предназначены только для энергоснабжения датчиков, если это понадобится при проектировании автоматической системы.
При внимательном изучении внешнего вида (см. рисунок 4.1) и схематического
чертежа (см. рисунок 4.2) рассматриваемого модуля CPU, можно обратить внимание
на то, что клеммы с обозначениями L+ и M используются не только для подведения
общего энергоснабжения, но также находятся среди группы контактов цифровых
выходов (1M, 1L+; 2M, 2L+ – в группе 2 на рисунке 4.1) и входов (1M, 2M – в группе
3 на рисунке 4.1). Данные клеммы предназначены для повышения надёжности работы
модуля за счёт создания независимости общего энергоснабжения, позволяющего
работать логической части ПЛК, от энергоснабжения датчиков и элементов
управления приводами. Подробнее об этом будет сказано в следующих разделах.
Общая электрическая схема подключения CPU 224XP и устройств (датчиков и
приводов) к нему представлена на рисунке 4.3.
32
Рисунок 4.3 ─ Электрическая схема подключения ПЛК Siemens Simatic
CPU 224XP (6ES7 214-2AD23-0XB0)
4.3.1 Цифровые и аналоговые выходы. Подключение приводов
Как было сказано в разделе 3, а также показано на рисунках 4.1, 4.2 и 4.3,
модуль центрального процессора CPU 224XP имеет в своём составе набор клемм для
подключения датчиков и приводов. Рассмотрим основные характеристики и особенности использования выходов рассматриваемого здесь ПЛК.
Цифровые выходы
Цифровые выходы находятся в верхней части ПЛК (2 на рисунке 4.1) и
структурно разделены на две группы по пять выходов в каждой (см. рисунок 4.2).
Разделение на две группы позволяет использовать независимые источники
постоянного тока (см. рисунок 4.3), что повышает надёжность работы в случае
появления нештатных ситуаций, сбоев, короткого замыкания и т. п.
Особенностью технического исполнения цифровых выходов является их
гальваническое развязывание относительно шин питания логических схем ПЛК
33
(применение отдельных источников питания, подключаемых к клеммам 1M, 1L+ и
2M, 2L+ соответственно). Это позволяет сохранить работоспособность ПЛК даже в
случае выхода из строя всех цифровых выходов, например, из-за короткого замыкания. Для обеспечения переключений между логическими уровнями «0» и «1» в
выходных схемах каждого из цифровых выходов используется электронный ключ
[ссылка на какую-нибудь книжку по электронике], чаще всего выполненный на полупроводниковых элементах. Для наглядного представления текущего логического
значения, каждый цифровой выход оснащён светодиодным индикатором (4 на
рисунке 4.1).
ВНИМАНИЕ!
Для обеспечения независимости от уровней напряжения питания,
подаваемых на клеммы 1M, 1L+ и 2M, 2L+ светодиодные индикаторы
связаны с главными логическими цепями ПЛК (регистры выходов), а не
с непосредственными цифровыми выходами. Это значит, что в случае
отсутствия напряжения питания на указанных клеммах или даже в
случае выхода из строя электронных ключей, индикаторный светодиод
всё равно будет работать и показывать то значение, которое было
установлено программой. Поэтому в случае отсутствия ожидаемого эффекта при управлении приводами необходимо смотреть действительный
уровень напряжений на клеммах цифровых выходов.
Основные технические характеристики цифровых выходов согласно [4] приведены в
таблице 4.2.
Таблица 4.2 ─ Общие характеристики цифровых выходов
Параметр
Значение
Тип ключевого элемента Твердотельный МОП-транзистор
Номинальное напряжение 24В постоянного тока
Диапазон напряжения
Импульсный ток (max)
Выходы Q0.0 – Q0.4:
5 – 28.8В постоянного тока (совместимость с ТТЛ)
Выходы Q0.5 – Q0.7, Q1.0, Q1.1:
20.4 – 28.8В постоянного тока
8А до 100мс
34
Параметр
Значение
Логическая «1» (min)
(L+ - 0.4)В при максимальном токе
Логический «0» (max)
0.1В при нагрузке 10кОм
Номинальный ток на
выход (max)
0.75А
Общий номинальный ток
3.75А
(max)
Задержка, мкс (max):
«0» → «1»
0.5мкс – Q0.0, Q0.1
15мкс – Q0.2 – Q1.1
Задержка, мкс (max):
«1» → «0»
1.5мкс – Q0.0, Q0.1
130мкс – Q0.2 – Q1.1
Частота импульсов (max)
100кГц – Q0.0, Q0.1 (зависит от типа и параметров
нагрузки)
Возможность
подключения выходов в
параллель
Возможно, если они состоят в одной группе
Как видно из представленной таблицы, первая группа выходов Q0.0 – Q0.4 может
быть подключена к источнику питания, обеспечивающему совместимость с ТТЛ – 5В
постоянного тока. Это позволяет использовать данную группу выходов для управления любыми устройствами, имеющими цифровые входы с диапазоном напряжений
от 5В до 28В.
Также при создании автоматических систем помимо согласования напряжений
необходимо рассчитывать и ток нагрузки. В случае, если предполагаемый ток нагрузки будет выше номинального тока отдельного выхода, необходимо использовать
дополнительные усилительные блоки.
Аналоговые выходы
Аналоговые выходы также, как и цифровые, находятся в верхней части ПЛК (1
на рисунке 4.1) и имеют клеммы M, I, V (см. рисунок 4.2). Особенностью исполнения
является то, что по сути имеется всего один регистр и соответственно один
аналоговый выход у данного ПЛК. Разделение происходит ввиду использования
35
данного аналогового выхода в качестве одного из двух классических вариантов:
•
ПЛК работает как источник тока – использование клемм M, I;
•
ПЛК работает как источник напряжения – использование клемм M, V.
Подключение аналогового выхода показано на рисунке 4.3. Там же указан тип
нагрузки: RI – нагрузка по току, RU – нагрузка по напряжению.
В отличие от цифровых выходов, конструкция аналогового выхода не предполагает использования отдельного источника постоянного тока, а значит гальваническая развязка с логическими цепями ПЛК отсутствует. Поэтому при работе с аналоговыми выходами необходимо предусматривать использование или промежуточных
усилительных блоков, либо отдельных схем защиты. Иначе, в случае какой-либо
аварийной ситуации, выйти из строя может не только аналоговый выход, но также и
ПЛК в целом.
ВНИМАНИЕ!
Для обеспечения защиты ПЛК при использовании аналоговых
выходов всегда предусматривайте дополнительные модули и цепи
защиты. Не допускайте ситуации короткого замыкания, замыкания
клемм на мощные источники тока и т. п.
Основные технические характеристики аналогового выхода согласно [4] приведены в
таблице 4.3.
Таблица 4.3 ─ Общие характеристики аналогового выхода
Параметр
Уровень сигнала при
работе
источником тока I
Значение
0 – 10В (мощность зависит от источника питания ПЛК)
36
Параметр
Значение
Уровень сигнала при
работе
0 – 20мА (мощность зависит от источника питания ПЛК)
источником напряжения U
Формат слова данных,
полный диапазон
0 – +32767
Формат слова данных,
полный масштаб
0 – +32000
Разрешение, полный
диапазон
12 разрядов
Значение младшего
разряда,
по напряжению
2.44мВ
Значение младшего
разряда,
по току
4.88мкА
Время установки
значения,
по напряжению
менее 50мкс
Время установки
значения,
по току
менее 100мкс
Выходная нагрузка,
по напряжению
более 5кОм
Выходная нагрузка,
по току
менее 500Ом
Как видно из таблицы, аналоговый выход не имеет достаточной мощности для
подключения значительных нагрузок: не более 20мВт в режиме источника напряжения, и не более 200мВт в режиме источника тока.
Рассмотрев основные характеристики цифровых и аналоговых выходов приведём
пример подключения привода с указанием необходимых расчётов.
37
ПРИМЕР. ПОДКЛЮЧЕНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА.
В качестве двигателя постоянного тока (ДПТ) используем один из стандартных
двигателей, используемых в полноразмерных персональных компьютерах для охлаждения центрального процессора (см. рисунок 4.4). Как уже говорилось выше, для
правильного подключения привода необходимо согласование его характеристик с
характеристиками выходных каналов управления ПЛК. В начале рассмотрим
характеристики привода, которые приведены в таблице 4.4
Рисунок 4.4 ─ Устройство охлаждения PC
CPU "Ice Hammer IH-3075WV"
Таблица 4.4 ─ Основные характеристики используемого ДПТ
Характеристика
Значение
Наименование устройства
Ice Hammer IH-3075WV
Тип двигателя
Двигатель постоянного тока
Рабочее напряжение
12В
Рабочий ток (max)
260мА
Номинальная скорость вращения 3000об/мин
Для данного примера мы не будем предусматривать наличие обратной связи, а ограничимся лишь управлением ДПТ на базе варьирования его питания. Как известно, ско38
рость вращения ДПТ зависит от напряжения питания, поданного на обмотку ротора (в
этом случае статор имеет, например, постоянный магнит).
Рассмотрим варианты управления данным ДПТ:
•
задание фиксированной скорости вращения
В данном случае на ДПТ достаточно подавать фиксированное значение
напряжения в интервале от 0 до 12В (см. таблицу 4.4).
•
свободное управление скоростью вращения
В этом случае на ДПТ подаётся напряжение, которое устанавливается программой и может варьироваться во время работы в интервале от 0 до 12В (см.
таблицу 4.4).
Как видно, в обоих случаях необходимо устанавливать напряжение в заданном
интервале. Сопоставим это с данными о цифровых и аналоговых выходах, указанными в таблицах 4.2 и 4.3. Согласно приведённым там данным по уровню напряжений данный ДПТ может быть подключен либо к группе цифровых выходов Q0.0 –
Q0.4 при подключении данной группы к соответствующему источнику питания, либо
к аналоговому выходу. Рассмотрим эти два варианта подробнее.
Подключение ДПТ к аналоговому выходу.
Управление скоростью вращения посредством установки заданного напряжения
ведёт к необходимости подключения ДПТ к клемма M, V используемого ПЛК.
Согласно данным таблицы 4.3 нагрузка не должна быть менее 5кОм, что соответствует максимальному току IMAX=2мА (IMAX = UMAX/RMIN; UMAX=10В, RMIN=5000Ом). Это
более, чем в 100 раз меньше номинального тока ДПТ (260мА).
39
Следовательно при подключении ДПТ к клеммам аналогового выхода по
напряжению не приведёт к вращению из-за нехватки мощности. Ситуация не может
быть исправлена и подключением ДПТ к аналоговому выходу управления током –
клеммы M, I. Максимальный возможный ток в этом случае ограничен 20мА.
Сопротивление обмоток ДПТ равно ≈ 46Ом (12В/0.26А). Таким образом, при максимальном токе 20мА на обмотке двигателя будет установлено напряжение 0.92В (20мА
× 46Ом), что в связи с некоторыми нелинейными эффектами (например, преодоление
трения-покоя) также не позволит ротору начать вращение, не говоря уже о полноценном управлении скоростью.
Таким образом, подключение рассматриваемого ДПТ напрямую к аналоговым
выходам для решения задачи управления не представляется возможным.
Подключение ДПТ к цифровому выходу.
Согласно электрическим характеристикам, приведённым в таблице 4.2, рассматриваемый нами ДПТ может быть подключен и функционировать в штатном режиме.
Однако это возможно при следующих ограничениях:
•
непосредственное подключение возможно только к цифровому выходу из
первой группы (Q0.0 – Q0.4) при установке соответствующего напряжения
питания в интервале 5В – 12В;
•
подключение к любому цифровому выходу с использованием дополнительной
последовательной постоянной нагрузки при общем напряжении питания 24В.
Случай фиксированного задания частоты вращения определяется заданным
напряжением питания (в первом случае), либо величиной дополнительной нагрузки
(во втором случае). Подача логической «1» на цифровой выход будет запускать ДПТ, а
логического «0» соответственно останавливать. Вариация скорости при этом
невозможна.
40
Ситуация с управлением скоростью в данном случае может быть исправлена
благодаря использованию широтно-импульсной модуляции (ШИМ), о которой речь
пойдёт в следующих подразделах. При использовании ШИМ на двигатель должны
подаваться импульсы, уровень напряжения которых соответствует максимальному
уровню напряжения двигателя – 12В.
Таким образом, решение поставленной задачи по управлению ДПТ сводится к
следующим шагам:
•
задание (или определение) уровня напряжения питания для цифровых выходов;
•
подключение ДПТ к цифровому выходу напрямую, либо последовательно с
постоянной нагрузкой (в зависимости от первого пункта);
•
реализация в программе ПЛК функции широтно-импульсной модуляции;
•
задание закона управления скоростью вращения двигателя.
4.3.2 Цифровые и аналоговые входы. Подключение датчиков
Для обеспечения обратной связи, которая позволяет определить фактическое
состояние управляемой системы и правильность работы алгоритмов управления, у
ПЛК предусмотрены входные каналы связи, реализованные в виде цифровых и
аналоговых входов. Центральный процессорный модуль ПЛК S7-200 имеет в своём
составе набор таких входов (их количество и состав зависят от типа CPU в серии).
Цифровые входы располагаются в нижней части ПЛК (группа 3 на рисунке 4.1), в то
время как аналоговые входы расположены рядом с аналоговыми выходами (группа 1
на рисунке 4.1). Рассмотрим их параметры подробнее.
41
Цифровые входы
Цифровые входы, также как и цифровые выходы, разделены на две группы,
которые не связаны друг с другом гальванически (см. рисунок 4.2). Схема
подключения датчиков представлена на рисунке 4.3. Каждая группа обеспечивается
клеммой общего (нулевого) провода – 1M и 2M, относительно которого и
определяется напряжение на клеммах цифровых входов I0.0 – I1.5.
Особенностью технического исполнения цифровых входов является их гальваническое развязывание относительно шин питания логических схем ПЛК. Это
позволяет сохранить работоспособность ПЛК даже в случае выхода из строя всех
цифровых входов, например, из-за подачи напряжения очень высокого уровня. Для
наглядного представления текущего логического значения, каждый цифровой вход
оснащён светодиодным индикатором (5 на рисунке 4.1).
ВНИМАНИЕ!
Светодиодный индикатор логического состояния цифрового
входа связан с непосредственными входными цепями и отражает
реальную ситуацию. Однако, в случае выхода из строя входных
цепей сигнал о логической единице (или нуле) может не поступать в логическую часть ПЛК. Это означает, что некорректная
работа программы может быть вызвана ошибочным значением на
регистре цифровых входов, в то время как светодиодная индикация указывает на наличие (отсутствие) сигнала. Поэтому в
случае несоответствия ожидаемому эффекту необходимо определить достоверность получаемых данных о наличии (отсутствии)
сигналов на цифровых входах. Данная ситуация противоположна
возможной ситуации с цифровыми выходами.
Основные технические характеристики цифровых входов согласно [4] приведены в
таблице 4.5.
Таблица 4.5 ─ Общие характеристики цифровых входов
Параметр
Полярность сигнала
Значение
Прямая и обратная полярность (кроме I0.3 – I0.5)
42
Параметр
Значение
Номинальное напряжение 24В постоянного тока, 4мА
Максимальное
продолжительное
постоянное напряжение
30В
Превышенное напряжение 35В, до 0.5секунды
Логическая «1» (min)
Логический «0» (max)
Входная задержка
15В при 2.5мА – входы I0.0 – I0.2, I0.6 – I1.5
4В при 8мА – входы I0.3 – I0.5 (совместимость с ТТЛ)
5В при 1мА – входы I0.0 – I0.2, I0.6 – I1.5
1В при 1мА – входы I0.3 – I0.5 (совместимость с ТТЛ)
0.2 – 12.8мс
Гальваническая развязка Оптическая
Высокоскоростные
счётчики (HSC)
Параметры зависят от применяемого счётчика и уровня
напряжения логической единицы (см. раздел
«Счётчики»)
Из таблицы видно, что рассматриваемый ПЛК имеет цифровые входы, обеспечивающие совместимость с оборудованием на базе ТТЛ. Среднее время задержки
достаточно высокое, чтобы обеспечивать реакцию на быстро меняющиеся входные
сигналы. Однако ПЛК предлагает набор высокоскоростных счётчиков, позволяющих
решать часть поставленных задач.
Аналоговые входы
Рассматриваемый модуль центрального процессора CPU 224XP (6ES7 2142AD23-0XB0) оснащён двумя аналоговыми входами, расположенными в верхней
левой части контроллера рядом с аналоговыми выходами (группа 1 на рисунке 4.1).
Оба входа являются гальванически связанными общим нулевым контактом, которому
соответствует клемма M. Чтобы обеспечить отличие от цифровых входов, в данном
случае клеммы обозначаются как A+ и B+.
Как и в случае с аналоговыми выходами, аналоговые входы имеют непосредственную связь с логическими цепями ПЛК. В связи с этим аварийные ситуации или
43
неверные схемотехнические решения могут привести к выходу из строя не только
цепей аналоговых входов, но также и ПЛК в целом. Поэтому при построении автоматических систем с использованием данных входов требуется предусмотреть установку
дополнительных защитных цепей или блоков. Это обеспечит надёжность функционирования системы даже в критические (аварийные) ситуации.
Основные технические характеристики аналоговых входов согласно [4] приведены в
таблице 4.6.
Таблица 4.6 ─ Общие характеристики аналоговых входов
Параметр
Тип аналогового входа
Диапазон изменения
напряжений
Формат слова данных,
полный масштаб
Входное сопротивления,
при постоянном токе
Максимальное входное
напряжение
Разрешение
Значение
Несимметричный
От -10В до 10В
От -32000 до +32000
Более 100кОм
30В
11рязрядов + знаковый разряд
Уровень напряжения для
4.88мВ
младшего бита
Время преобразования
АЦП
Тип АЦП
Время преобразования
единичного импульса
Подавление шума
125мс
сигма-дельта
250мс
-20дБ для частоты 50Гц
44
Из таблицы видно, что на аналоговые входы можно подавать медленно меняющиеся
(менее 8Гц) двух-полярные сигналы. Одним из положительных свойств является
наличие внутреннего фильтра, позволяющего подавить сетевую помеху (50Гц) в 100
раз (-20дБ).
Рассмотрим некоторые примеры использования цифровых и аналоговых входов.
ПРИМЕР. ПОДКЛЮЧЕНИЕ ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ.
В качестве датчика температуры будем использовать датчик МВТ 3560 со
встроенным интегральным усилителем, внешний вид которого показан на рисунке 4.5,
а технические характеристики приведены в таблице 4.7.
Рисунок 4.5 ─ Датчик температуры
МВТ 3560 с интегральным усилителем
45
Таблица 4.7 ─ Технические характеристики датчика МВТ 3560 с интегральным
усилителем
Параметр
Значение
Измерительный элемент Термометр сопротивления Pt1000
Напряжение питания
10 – 30В постоянного тока
Потребляемый ток
Менее 4мА
Выходной сигнал
Изменение тока от 4 до 20мА
Диапазон измеряемых
температур
От 0 до 100oC
Согласно техническим характеристикам датчика, приведённым в данной таблице, он
использует стабилизацию тока в соответствии с температурой. Предполагая линейность функциональной зависимости можно написать следующее выражение для
величины силы тока от температуры:
I ( T )=a +b⋅T , где a=4мА , b=0.16
мА
o
C
При достижении пределов (0 или 100oC) происходит насыщение, что обусловлено
нелинейностью характеристики вне рабочей зоны. Поэтому в дальнейшем будем
полагать, что температура рабочего тела находится в пределах рабочей зоны датчика.
Для того, чтобы производить измерение температуры используя написанную
выше формулу (взяв обратную от неё) необходимо производить измерение величины
силы тока I, проходящего через датчик. Очевидно, что для измерений в данном случае
необходимо использовать аналоговые входы. Однако, согласно техническим характеристикам, приведённым в таблице 4.6, аналоговые входы рассматриваемого ПЛК
предназначены для измерения величины напряжения и не могут быть использованы
напрямую. Дадим одно из возможных простейших решений данной проблемы.
46
Косвенное измерение силы тока
Так как интегральный усилитель датчика устанавливает величину силы тока в
соответствии с температурой, то это позволяет включить последовательно в цепь
датчика постоянную нагрузку, а именно, постоянное сопротивление R. Тогда падение
напряжения на данном сопротивлении согласно закону Ома будет линейно зависеть от
силы тока в цепи, а значит и от температуры.
U R (T )=R⋅I (T )=R⋅a+R⋅b⋅T
Поэтому измеряя падение напряжения на резисторе UR можно вычислить и силу тока
I, а значит и температуру T. Схема подключения датчика МВТ 3560 к CPU 224XP с
косвенным измерением силы тока при использовании однополярного источника
постоянного тока приведена на рисунке 4.6.
+24В
MBT 3560
0В
+
–
M I V M A+ B+
CPU 224XP
R
Рисунок 4.6 ─ Подключение датчика МВТ 3560 к CPU 224XP
Для корректной работы и соответствия техническим характеристикам ПЛК необходимо определить ограничения на величину сопротивления R резистора.
47
Ограничения по напряжению на аналоговом входе
В данном случае определим, при какой величине сопротивления R падение
напряжения на резисторе UR будет находиться в интервале от 0 до +10В (в соответствии с таблицей 4.6) при использовании однополярного источника питания.
0⩽U R ⩽10В ⇒ 0⩽R⋅I (T )⩽10В ⇒ 0⩽ R⩽
10
10
⇒ 0⩽R⩽
⇒
I max
20⋅10−3
0⩽R⩽500Ом
В случае выбора R=500Ом получаем следующий интервал напряжений, соответствующий интервалу температур от 0 до 100oC:
T = 0oC
o
T = 100 C
I = 4мА
UR = 2В
I = 20мА
UR = 10В
Отметим отдельно случай, когда датчик выходит из строя и цепи интегрального
усилителя работают в режиме пробоя (падение напряжения на датчике равно нулю). В
этом случае представленная выше схема включения приведёт к тому, что на АЦП
аналогового входа будет подано напряжение +24В. Согласно техническим характеристикам такое напряжение допустимо, однако оно превышает нормальный предел в
2.4 раза. Поэтому для устранения подобной проблемы необходимо использовать более
сложные схемы включения данного датчика. В случае же, когда цепи интегрального
усилителя при выходе из строя разрывают цепь, вход АЦП будет замкнут через
резистор на нулевую шину и ПЛК не выйдет из строя.
Ограничения по напряжению питания датчика
Согласно техническим характеристикам напряжения питания датчика должно
быть в интервале от 10 до 30В постоянного тока. Выбор источника питания 24В
удовлетворяет этим условиям, однако, наличие последовательной нагрузки изменяет
48
ситуацию и напряжение питания датчика будет изменяться в зависимости от температуры. Напишем равенство для данной цепи
U 0=U S + R⋅I (T ) ⇒ U S =U 0−R⋅I (T )=24− R⋅[0.004 ; 0.02]⩾10В
из данного выражения получаем, что
R⋅[0.004 ; 0.02]⩽14В ⇒ R⩽
14
⇒ R⩽[700 ; 3500 ] ⇒ R⩽700 Ом
[0.004 ; 0.02]
Таким образом, в случае, когда сопротивление нагрузки R меньше 700Ом, питание
датчика будет лежать в требуемых пределах.
Ранее из ограничений по напряжению для АЦП аналогового входа был найден
верхний предел для сопротивления в 500Ом. Соответственно, при сравнении необходимо выбирать наименьший предел.
Вывод
Для подключения датчика MBT 3560 по схеме, представленной на рисунке 4.6
необходимо использовать постоянный резистор с номинальным сопротивлением не
более 500Ом. При этом для получения наибольшего интервала необходимо, чтобы
сопротивление было как можно ближе к этому значению.
4.3.3 Применение модулей расширения S7-200
Как уже ранее было сказано, ПЛК серии S7-200 является модульным контроллером, в основе которого лежит центральный процессорный модуль CPU. Остальные
49
модули подключаются в зависимости от требований при решении поставленной
задачи автоматизации. Это не касается CPU 221, который не имеет в своём составе
шины расширения. На рисунке 3.1 раздела 3 показан ПЛК S7-200 с подключённым к
нему модулем расширения.
Все модули расширения делятся по следующим типам:
•
SM – сигнальные модули
•
FM – функциональные модули
•
CP – коммуникационные процессоры (модули)
Сигнальные модули
Сигнальные модули делятся на два класса:
•
Цифровые модули
•
Аналоговые модули
Как те, так и другие могут быть однонаправленными (входы либо выходы) или комбинированными (есть и входы и выходы). Перечислим отдельно существующие на
данный момент цифровые и аналоговые модули.
Цифровые модули:
•
Только входы: EM 221 три варианта:
1) 8xDE 24V DC;
2) 8xDE 120/230V
3) 16xDE 24V DC
•
Только выходы: EM 222 пять вариантов:
1) 8xDA 24V DC;
2) 8xDA Relais;
3) 8xDA 120/230V;
50
4) 4xDA 24V DC 5A
5) 4xDA Relais 10A
•
Комбинированные: EM 223 восемь вариантов:
1) 4xDE 24V DC / 4xDA 24V DC
2) 4xDE 24V DC / 4xDA Relais
3) 8xDE 24V DC / 8xDA 24 V DC
4) 8xDE 24V DC / 8xDA Relais
5) 16xDE 24V DC / 16xDA 24V DC
6) 16xDE 24V DC / 16xDA Relais
7) 32xDE 24V DC / 32xDA 24 V DC
8) 32xDE 24V DC / 32xDA Relais
Аналоговые модули:
•
Только входы: EM 231 два варианта:
1) 4 аналоговых входа;
2) 8 аналоговых входов;
•
Только выходы: EM 232 два варианта:
1) 2 аналоговых выхода;
2) 4 аналоговых выхода;
•
Комбинированные: EM 235 один вариант: 4 аналоговых входа и 1 аналоговый
выход
Функциональные модули
Функциональные модули предназначены для решения конкретных задач управления.
В семействе Siemens Simatic S7-200 они представлены следующими вариантами:
•
EM 253 – модуль позиционирования
позволяет управлять серводвигателями решая задачу позиционирования с
51
одной степенью свободы;
•
SIWAREX MS – модуль взвешивания
позволяет решать простейшие задачи взвешивания и определения величины
сил;
•
EM 231 – модуль для измерения температур
позволяет подключать стандартные термопары по различным схемам
включения и производить измерение температур;
•
EM231 RTD – модуль для измерения температур
позволяет подключать стандартные терморезисторы и производить измерение
температуры.
Коммуникационные модули
Коммуникационные модули предназначены для подключения ПЛК к каким-либо
сетям и организации обмена данными. Перечислим существующие коммуникационные модули:
•
EM 277 – PROFIBUS DP slave модуль
предназначен для подключения CPU к шине PROFIBUS DP в качестве ведомого
устройства;
•
CP 243-2 – AS-interface master
предназначен для подключения CPU к шине AS в качестве ведущего
устройства;
•
EM 241 – Modem
предназначен для подключения CPU к телефонной линии;
•
CP 243-1 IT – Ethernet модуль
предназначен для подключения CPU к сети Ethernet;
•
CP 243-1 – Ethernet модуль
52
предназначен для подключения CPU к сети Ethernet;
•
SINAUT MD720-3 – GSM/GPRS modem
предназначен для подключения CPU к мобильной сети передачи данных по
стандарту GSM/GPRS
Все перечисленные модули имеют собственные клеммы для подключения источников
питания и должны быть сконфигурированы при создании проекта программы в среде
Step7 Micro/WIN.
4.4 Особенности программирования. Применение Step 7-Micro/WIN
Программируемые логические контроллеры семейства Simatic Step7 являются
специализированными устройствами, для создания программ которым необходимо
соответствующее программное обеспечение. Как было сказано в разделе 3, ПЛК
серии S7-200 имеют ряд особенностей, в результате чего для их программирования
применяется отдельное программное обеспечение Simatic STEP 7 Micro/WIN.
Рассмотрим подробнее основы работы с данным программным продуктом.
Запуск Step7 Micro/WIN. Описание общего графического интерфейса
пользователя.
Программный продукт Step7 Micro/WIN разработан как приложение Windows и
совместим с ОС Windows XP SP3. Также может запускаться на ОС Windows 7 с
возможными соответствующими ограничениями, связанными с установкой совместимости (устанавливаются администратором системы). Данное приложение позволяет создавать, редактировать, а также производить отладку программных проектов. В
дополнении к нему может понадобиться драйвер для коммуникационного устройства
(программатора),
позволяющего
производить
53
подключение
персонального
компьютера к промышленным сетям.
При запуске приложения Step 7 Micro/WIN появляется основное окно графического интерфейса пользователя, показанное на рисунке 4.7.
5
1
6
4
2
3
Рисунок 4.7 ─ Графический интерфейс пользователя среды программирования Siemens
Simatic STEP 7 Micro/WIN
В окне пользователя помимо главного меню можно выделить шесть зон, позволяющих гибко работать с проектами, производить отладку и создавать программу:
1
– Дерево редактируемого проекта;
2
– Библиотека инструкций для создания программы;
54
3
– Рабочее поле создания и редактирования программы;
4
– Таблица описания временных переменных;
5
– Набор элементов быстрого запуска, позволяющих изменить параметры
проекта;
6
– Набор элементов быстрого запуска для стандартного набора функций,
программирования ПЛК и работы в режиме отладки.
По умолчанию при запуске Step 7 Micro/WIN создаётся новый проект со стандартными параметрами, который не связан ни с каким из устройств (ПЛК). Рассмотрим
подробнее каждую из выделенных на рисунке 4.7 зон.
ДЕРЕВО РЕДАКТИРУЕМОГО ПРОЕКТА
Дерево редактируемого проекта представлено корневым элементом, который
определяет имя проекта, а также набором веток, характеризующих параметры
проекта.
Общие свойства проекта – «General»
Окно, в котором представлены общие свойства проекта, вызывается посредством нажатия правой кнопки «мышки» на названии «Project1» и выборе «Options...»
из всплывающего меню.
55
Рисунок 4.8 ─ Окно общих свойств проекта
Как видно из рисунка 4.8, пользователю предоставляется доступ к различным параметрам. Пользователь может выбрать редактор программы по умолчанию (на рисунке
указан Ladder Editor, позволяющий создавать программы в виде контактно-релейных
диаграмм), определить стандарт программного кода, о чём было сказано в разделе 2.3
(в данном случае выбран вариант Simatic, реализующий дополнительные особенности, введённые Siemens). Кроме этого пользователь может выбрать язык меню
(выбран English), региональные настройки (система мер, формат даты и времени) и
вариант используемого множества мнемоник для инструкций (выбран International).
Перемещаясь по вкладкам дерева, представленного слева на указанном рисунке,
пользователь может производить настройки редакторов, дерева инструкций, параметров печати и т. д.
56
Выбор CPU
Первым информативным элементом дерева проекта является элемент, указывающий на тип модуля центрального процессора, для которого создаётся проект. Для
выбора требуемого ПЛК необходимо навести указатель «мыши» на данный элемент и
нажать на правую кнопку. В появившемся контекстном меню выбрать «Type». В
результате появится окно, в котором необходимо выбрать необходимый вариант CPU
и версию его внутренней программы (микропрограммы). Последовательность
действий по установке типа ПЛК представлена на рисунках 4.9 и 4.10.
Рисунок 4.9 ─ Вызов
меню выбора типа CPU
Рисунок 4.10 ─ Окно выбора типа CPU и версии его
микропрограммы
Как было сказано в разделе 3 тип CPU и все необходимые данные о нём представлены
на корпусе самого прибора. Помимо этого, в окне, представленном на рисунке 4.10
есть кнопка «Read PLC», позволяющая прочитать данные с подключённого ПЛК и
выбрать необходимый тип автоматически. Кнопка «Communications...» позволяет
настроить параметры связи с ПЛК. Об этих параметрах будет сказано далее.
Программные блоки – «Program Block»
Следующей ветвью в дереве проекта является ветвь программных блоков –
«Program Block». При её раскрытии появляются записи обо всех существующих
57
блоках, содержащих программный код для данного проекта (см. рисунок 4.11). Чтобы
добавить ещё один программный блок, необходимо вызвать всплывающее меню нажатием правой кнопки «мыши» и указать, какого типа будет новый блок (см. рисунок
4.12).
Рисунок 4.11 ─ Используемые
программные блоки
Рисунок 4.12 ─ Вызов всплывающего меню для
добавления новых программных блоков (подпрограмм,
либо прерываний)
Из показанных выше рисунков видно, что ПЛК S7-200 имеет только один программный блок OB1. Данное обстоятельство было указано в разделе 3 при указании
особенностей данной серии. Пользователь может добавлять только подпрограммы
(Subroutine) и прерывания (Interrupt).
Вызов окна с параметрами для программного блока также вызывается из
выпадающего контекстного меню посредством нажатия правой кнопки мыши на
рассматриваемом блоке (см. рисунок 4.13).
58
Рисунок 4.13 ─ Вызов окна с
параметрами программного блока
Рисунок 4.14 ─ Общие свойства
программного блока OB1
Рисунок 4.15 ─ Защитные свойства
программного блока OB1
На рисунках 4.14 и 4.15 показаны общие свойства и свойства защиты программного
блока OB1. Как видно из рисунков, данный блок является единственным – поле
«Block Number» не активно, и по умолчанию не защищено паролем. Если же вызвать
59
окно свойств для блоков подпрограмм или прерываний, то для данного типа CPU
можно будет задавать до 128 различных блоков каждого типа с номерами от 0 до 127.
Таблица символов – «Symbol Table»
Данная ветвь дерева проекта содержит таблицы, сопоставляющие определённым ячейкам памяти, подпрограммам или прерываниям символьные имена (см.
рисунок 4.16). Это позволяет пользователю при создании или редактированию
программы работать с символьными именами, отражающими какое-либо смысловое
значение для хранимых данных или вызываемых процедур.
Рисунок 4.16 ─ Таблицы
символов в проекте
Рисунок 4.17 ─ Вызов контекстного меню для создания новой
таблицы символов
Как видно из рисунков 4.16 и 4.17 пользователь может работать со стандартной таблицей символов – «Symbol Table», с таблицей символов для данного CPU – «S7-200
Symbol Table», а также с таблицей символов для задания имён программным блокам
– «POU Symbols». Вид стандартной таблицы символов и таблицы символов для
программных блоков представлен на рисунках 4.18 и 4.19.
60
Рисунок 4.18 ─ Вид стандартной таблицы символов для ячеек памяти
Рисунок 4.19 ─ Вид стандартной таблицы символов для программных блоков
Таблица «S7-200 Symbol Table» является таблицей стандартного типа, однако заполняется данными автоматически, в соответствии с типом используемого CPU. В неё
вносятся символьные обозначения для ячеек системной памяти – SM.
Диаграммы состояния – «Status Chart»
Для того, чтобы пользователь имел больше возможностей для отладки программы, приложение Step7 Micro/WIN позволяет создавать таблицы и временные диаграммы (тренды) для отслеживания заданных переменных. Данные элементы могут быть
61
созданы и сконфигурированы в ветви «Status Chart» дерева проекта. Пример
таблицы, созданной по умолчанию, представлен на рисунке 4.20.
Рисунок 4.20 ─ Таблица USER1, созданная по умолчанию для мониторинга состояния
переменных программы
Блоки данных – «Data Block»
При программировании часто необходимо задавать некоторые начальные значения переменным или записывать массивы данных. Реализация этих функций для ПЛК
S7-200 возложена на блоки данных (Data Blocks). А именно, пользователь может
сохранять в блоках данных требуемые значения, которые будут в последствии записаны в память переменных ПЛК. На рисунках 4.21 и 4.22 представлены контекстное
меню пользователя, позволяющее создать новую страницу данных – «Data Page», а
также блок USER1, созданный по умолчанию.
62
Рисунок 4.21 ─ Создание нового блока
данных («Data Page»)
Рисунок 4.22 ─ Блок данных USER1, созданный по умолчанию
Как указано в самом начале каждой создаваемой странице данных (см. рисунок 4.22)
примеры формата записи могут быть получены из станиц окна помощи, вызываемого
нажатием клавиши F1. Стоит лишь отметить, что содержание блока данных синтаксически схоже с записью таблицы, где в первой колонке указывается адрес ячейки
памяти, а во второй – числовое или текстовое значение, которое туда помещается.
Использование запятой в качестве разделителя позволяет записывать непрерывные
массивы данных не указывая каждый раз адреса ячеек памяти, ограничившись при
63
этом только начальным адресом.
Также как и программные блоки, блоки данных могут быть защищены с
помощью пароля.
Системные блоки – «System Block»
Для задания системных параметров ПЛК служат так называемые системные
блоки – «System Block». Состав системных блоков, доступных в дереве проекта,
показан на рисунке 4.23.
Рисунок 4.23 ─ Системные
блоки для задания
конфигурации ПЛК
Рассмотрим каждый из доступных в проекте системных блоков.
Коммуникационные порты («Communication Ports»)
При выборе данного блока появляется окно, позволяющее произвести конфигурацию
коммуникационных портов. Для рассматриваемого нами CPU 224XP необходимо
произвести конфигурацию двух портов (см. рисунок 4.24).
64
Рисунок 4.24 ─ Задание параметров коммуникационных портов CPU 224XP
Как видно из рисунка, каждый из коммуникационных портов имеет свои собственные
конфигурационные параметры и является независимым от другого порта. То есть оба
порта могут быть использованы для подключения как к разным сетевым шинам, так и
к одной. При этом, если они подключаются к разным сетевым шинам, то могут иметь
одинаковый сетевой адрес (как представлено на рисунке). Рассмотрим указанные
параметры подробнее:
•
PLC Address – Сетевой адрес ПЛК – является уникальным и позволяет идентифицировать
устройство
для
проведения
процедуры
передачи
данных.
Так как основным интерфейсом является интерфейс MPI, то сетевой адрес ПЛК
– это число от 0 до некоторого максимального адреса. Особенности промышленных сетей и работа с ними будет рассмотрена в одном из последних
65
разделов;
•
Highest Address – максимальный сетевой адрес – максимальный сетевой адрес
для устройств в данной сети. Первоначальный стандарт предполагал максимум
32 устройства на шине. В дальнейшем он было расширен и появилась возможность устанавливать до 127 устройств;
•
Baud Rate – скорость передачи данных – задаёт скорость передачи данных в
сети. В данном случае возможны следующие параметры: 9600, 19200, 187500
бод/с. Одним из важных условий является то, чтобы устройства-партнёры,
между которыми происходит обмен данными по сети, имели бы одну и ту же
конфигурацию скорости передачи данных. В обратном случае связь между
устройствами окажется невозможной.
•
Retry Count – количество повторных попыток связи – определяется максимальное количество попыток передачи данных;
•
Gap Update Factor – задаёт количество удерживаемых маркеров, прежде чем
будет произведена проверка для нового мастера в сети.
При создании проекта и задании настроек следует уделять особое внимание заданию
параметров коммуникационных портов. Как показывает практика, большинство
проблем при создании систем, включающих передачу данных по сети, например, ПЛК
– ЧМИ, возникает в результате неверного задания сетевых параметров у одного или у
обоих устройств.
Диапазоны сохраняемой памяти («Retentive Ranges»)
ПЛК S7-200 позволяет сохранять некоторые части области данных на случай сбоев
питания. Для определения данных диапазонов вызывается блок «Retentive Ranges»,
окно которого представлено на рисунке 4.25.
66
Рисунок 4.25 ─ Задание областей сохраняемой памяти
Подробнее о сохраняемой памяти будет рассказано в одном из следующих разделов.
Пароль («Password»)
При создании проекта существует возможность задавать доступ к тем или иным
операциям, производимым с ПЛК, посредством установки привилегий. Окно данного
системного блока представлено на рисунке
67
Рисунок 4.26 ─ Задание уровня привилегий при доступе к ПЛК
Задание соответствующего уровня привилегий позволяет разработчикам защитить
программу от несанкционированного считывания и модификации. При установке
любого из уровней выше первого разработчик должен ввести пароль, который в
последствии будет определять доступ к программе ПЛК.
Таблицы выходов («Output Tables»)
Как было сказано ранее, ПЛК может находиться в состоянии RUN и состоянии STOP.
Данные состояния могут быть инициированы как программным способом, так и
аппаратно с помощью трёхпозиционного тумблера (см. рисунок 4.1 и 4.2, а также
раздел 4.1). Поведение цифровых и аналоговых выходов в режиме RUN определяется
программой. Для того, чтобы определить поведение выходов в при переходе в режим
STOP, необходимо произвести их конфигурацию с помощью блока «Output Tables».
68
Внешний вид окна для данного блока представлен на рисунке 4.27.
Рисунок 4.27 ─ Задание значения цифровых (и аналоговых на вкладке Analog) выходов при
переходе в режим STOP
Установка параметра «Freeze Outputs in last state» позволяет сохранить на выходах
те значения, которые были перед переходом в режим STOP. По умолчанию только
аналоговые выходы сохраняют предыдущее значение. Цифровые же выходы переходят в состояние логического нуля.
Входные фильтры («Input Filters»)
В ПЛК S7-200 существует система фильтров входных цифровых и аналоговых сигналов для подавления импульсных помех и шума. Устранение возможных импульсов,
связанных с шумами на цифровых входах производится посредством задания времени
69
задержки. В случае, если импульс, пришедший на цифровой вход, имеет длительность
меньшую величины времени задержки, то он не фиксируется регистром образа
процесса и, соответственно, не будет обработан программой. В случае же аналоговых
входов необходимо задавать два параметра (см. рисунок 4.28). Первый параметр –
«Number of samples» (количество отсчётов сигнала) – количество дискретных
отсчётов, по которым вычисляется среднее значение сигнала. Именно данное среднее
значение и поступает на вход регистра образа процесса. Таким образом
осуществляется стохастическая фильтрация сигнала. Второй параметр – «Deadband»
(мёртвая зона) – определяет область вариации сигнала относительно среднего
значения. Если новое измеренное значение находится в указанной зоне, то среднее
значение вычисляется с учётом нового отсчёта. Если же значение нового отсчёта не
попадает в заданную зону, то среднее значение не вычисляется, а приравнивается к
величине нового отсчёта. Это позволяет достаточно быстро реагировать на значительные изменения сигналов. Окно для установки параметров фильтров для аналоговых входов показано на рисунке 4.28.
70
Рисунок 4.28 ─ Установка параметров фильтрации для аналоговых входов
Как видно из рисунка, оба аналоговых входа, присутствующие у рассматриваемого
здесь CPU 224XP, не используют по умолчанию фильтрацию сигналов.
Захват быстрых входных импульсов («Pulse Catch Bits»)
Одной из особенностей ПЛК является циклический режим работы, где за время цикла
происходит запись входных сигналов, работа программы и запись выходных сигналов
в специальные регистры. Проблема со входными цифровыми сигналами возникает
тогда, когда импульс появляется не перед началом цикла, а уже после. Тогда данный
импульс не будет зарегистрирован системой, что может повлечь неверное формирование управляющих сигналов. Для решения указанной проблемы есть формально два
71
пути. Один из них, использование высокоскоростных счётчиков, будет рассмотрен
далее в соответствующем разделе. Другой же способ связан с фиксацией быстрых
импульсов до начала следующего цикла, чтобы данные о них могли быть записаны во
входные регистры. Окно системного блока «Pulse Catch Pits» показано на рисунке
4.29.
Рисунок 4.29 ─ Задание конфигурации цифровых входов для фиксации
быстрых импульсов
Фоновое время («Background Time»)
В данном системном блоке устанавливается процентное соотношение времени,
которое может быть (или будет) затрачено на процедуру коммуникации и передачи
данных по сети. Минимальное значение – 5% времени, максимальное – 50% времени.
Данная величина может значительно влиять не только на время цикла, но и на
возможность коммуникации с устройствами-партнёрами в сети.
72
Конфигурация модулей расширения («EM Configurations»)
Как уже было сказано, ПЛК S7-200 является модульным контроллером. Базовым
модулем является CPU, к которому могут быть подключены различные модули расширения. Учитывая это в Step7 Micro/WIN их конфигурация производится отдельно.
Одним из блоков, который связан с модулями расширения, является системный блок
«EM Configurations». Окно данного системного блока показано на рисунке 4.30. В
частности в данном окне указано, задание конфигурации модулей расширения должно
производиться посредством специальных программных инструментов (Wizards).
Рисунок 4.30 ─ Указание адресов конфигурации модулей расширения ПЛК
Конфигурация светодиодных индикаторов режима («Configure LED»)
Данный системный блок позволяет задать конфигурацию включения для светодиодного индикатора «SF/DIAG» для следующих событий:
•
индикатор становится жёлтым, когда для некоторой величины устанавливается
73
формированный режим (то есть ячейка памяти изменяется только по внешним
командам пользователя);
•
индикатор становится жёлтым, когда модуль фиксирует ошибку ввода-вывода.
Добавление памяти («Increase Memory»)
Данный блок позволяет управлять наращиванием области памяти программ в
зависимости от текущего режима работы Step 7 Micro/WIN.
Перекрёстные ссылки – «Cross Reference»
Таблицы перекрёстных ссылок используются во время разработки программы
для того, чтобы определить, где именно, в каких блоках и на каких позициях вызываются те или иные переменные. Кроме этого в данной ветви дерева проекта есть
таблицы, в которых указываются данные по использованию ячеек памяти как
побайтно, так и поразрядно.
Коммуникации – «Communications»
Данная ветвь дерева проекта представлена тремя элементами (см. рисунок 4.31):
•
Communications – функция установки связи с конкретным устройством для
дальнейшей работы с ним;
•
Set PG/PC Interface – установить параметры интерфейса, обеспечивающего
подключение программы Step 7 Micro/WIN к промышленной сети;
•
Communication Ports – задание параметров коммуникационных портов.
74
Рисунок 4.31 ─ Функции
конфигурации связи
Рисунок 4.32 ─ Организация связи Step7 Micro/WIN с ПЛК
На рисунке 4.32 показан случай, когда в сети обнаружено одно устройство – CPU
224XP, имеющее сетевой адрес 11 и скорость связи 187.5кбод/с. Для работы с данным
устройством необходимо выделить его с помощью «мыши» и далее нажать кнопку
«ОК». Отметим, что в случае, если данная процедура создания связи между Step 7
Micro/WIN и конкретным ПЛК не была проведена, то загрузка программы
пользователя будет невозможной.
Блок «Communication Ports» вызывает тот же самый системный блок, который
был рассмотрен ранее (см. рисунок 4.24). Блок «Set PG/PC Interface» вызывает окно
настроек интерфейса между программами и интерфейсными устройствами, подключаемыми к промышленным сетям. Для внесения изменений потребуются права
Администратора системы.
Мастера настроек – «Wizards»
Набор мастеров прежде всего предназначен для быстрой конфигурации модулей
расширения ПЛК. Однако в данный список также входят мастера для возможности
задать параметры для некоторых встроенных функций и устройств CPU. Рассмотрим
75
список мастеров:
•
«AS-i» – мастер для настройки AS-интерфейса;
•
«Data Log» – мастер создания функций для сохранения массивов данных на
модуле дополнительной памяти;
•
«EM 241 Modem» – мастер настройки телекоммуникационного модуля EM 241;
•
«EM 253 Position» – мастер настройки модуля управления позицией EM 253;
•
«Ethernet» – мастер настройки коммуникационного модуля с интерфейсом
Ethernet;
•
«High Speed Counter» – мастер настройки высокоскоростных счётчиков;
•
«Internet» – мастер настройки Internet-модуля CP 243-1 IT
•
«NETR/NETW» – мастер для быстрого создания модулей программы обмена
данными с устройствами-партнёрами посредством MPI/PPI;
•
«PID» – мастер настройки звена ПИД-регулятора;
•
«PTO/PWM» – мастер настройки управления позицией на основе широтноимпульсной модуляции, либо импульсного выхода;
•
«Recipe» – мастер создания функций работы с рецептами, сохранёнными на
модуле дополнительной памяти;
•
«Remote Modem» – мастер для конфигурации CPU, позволяющей работать с
внешним модемом;
•
«Text Display» – мастер создания функций для работы с текстовыми
дисплеями.
Инструменты – «Tools»
Раздел инструментов в дереве проекта включает в себя элементы быстрого запуска
программ, позволяющим производить работу с внешними устройствами или встроен76
ными функциями после создания соответствующих конфигураций мастером. В
качестве стандартных инструментов представлены:
•
«EM 253 Control Panel» – панель управления для модуля позиционирования EM
253;
•
«PID Tune Control Panel» – панель управления для тонкой настройки ПИДрегулятора;
•
«S7-200 Explorer» – сетевой обозреватель;
•
«TD Keypad Designer» – графический редактор, позволяющий упростить задачу
формирования интерфейса пользователя при работе с текстовыми дисплеями;
БИБЛИОТЕКА ИНСТРУКЦИЙ
Программа для ПЛК также, как и большинство программ, написанных на
контекстно-зависимых языках программирования, состоит из набора выполняемых
последовательно инструкций и функций. Для удобства работы все инструкции,
которые пользователь может использовать при создании программы, вынесены в
отдельное дерево, называемое библиотекой инструкций – «Instructions» (2 на рисунке
4.7). В программе Step 7 Micro/WIN все инструкции разделены на следующие группы:
•
Bit Logic – набор инструкций битовой логики;
•
Clock – набор инструкций для работы с часами реального времени;
•
Communications – набор инструкций для решения коммуникационных задач;
•
Compare – набор инструкций сравнения;
•
Convert – набор инструкций преобразования типов;
•
Counters – набор инструкций для работы со счётчиками;
•
Floating-Point Math – набор инструкций для работы с числами с плавающей
77
точкой;
•
Integer Math – набор инструкций для работы с целыми числами;
•
Interrupt – набор инструкций для работы с прерываниями;
•
Logical Operations – набор инструкций для логических операций над числами;
•
Move – набор инструкций перемещения данных;
•
Program Control – набор инструкций для управления программой;
•
Shift/Rotate – набор инструкций сдвига;
•
String – набор инструкций для работы со строковыми переменными;
•
Table – набор инструкций для работы с таблицами;
•
Timers – набор инструкций для работы с таймерами;
•
Libraries – набор дополнительных библиотек;
•
Call Subroutine – набор подпрограмм, созданных пользователем.
РАБОЧЕЕ ПОЛЕ ПРОГРАММЫ
Рабочее поле программы определяет область (окно редактора), в котором производится создание и редактирование программы для ПЛК. На рисунке 4.7 рабочее поле
выделено под номером 3. Ранее было сказано, что программа для ПЛК Siemens
Simatic S7-200 может быть представлена тремя вариантами:
•
в виде контактно-релейных диаграмм – LAD;
•
в виде диаграмм функциональных блоков – FBD;
•
в виде списка инструкций – STL (в обозначениях Siemens Simatic).
Рассмотрим различие данных представлений на примере одного из простейших
вариантов программы – рисунки 4.33, 4.34, 4.35.
78
Рисунок 4.33 ─ Представление
программы Ветви 1 в виде LAD
Рисунок 4.34 ─ Представление
программы Ветви 1 в виде FBD
Рисунок 4.35 ─ Представление
программы Ветви 1 в виде STL
Как видно из рисунков, вся программа разделена на отдельные составляющие –
Network (Ветвь, Схема, Сеть). Данное разбиение программы логически обосновано
при использовании представлений LAD и FBD, которые изначально ориентированы
на инженеров-электронщиков, работающих с электрическими схемами. В случае же
использования представления STL деление на ветви является условным, так как вся
программа может быть формально записана в одной ветви.
В случае использования представления LAD (контактно-релейных диаграмм)
неотъемлемым атрибутом является сигнальная шина, нарисованная вертикально в
левой части редактора. Именно из данной шины выходят все ветви программы.
Поясним логику работы программы при использовании данного представления на
примере 4.33. Сигнал с левой шины поступает в ветвь до первого элемента, который
79
по сути представляет управляемый выключатель, состояние которого зависит от
значения, хранящегося в одноразрядной ячейке памяти (M0.0). Данный выключатель в
нормально состоянии является замкнутым, поэтому, если в ячейке M0.0 хранится
значение 0, то сигнал пройдёт дальше до следующего выключателя, который уже
зависит от содержимого ячейки M0.1. В случае прохождения сигнала через второй
выключатель, он попадает на катушку, являющуюся конечным элементом цепи. В
данном случае катушка связана с цифровым выходом Q0.0. Таким образом, для
программ, представленных в виде LAD, характерно движение потока сигнала от
несущей шины, находящейся слева, до крайних правых элементов цепи. При этом в
цепи имеются выключатели, которые определяют возможность прохождения сигнала.
При использовании представления FBD нет необходимости в использовании
общей сигнальной шины. Все элементы представляются в виде функциональных
блоков, реализующих либо логические операции, либо некоторые встроенных или
созданные пользователем функции. Так, на рисунке 4.34 показано, что логически
схема, представленная в виде цепи контактов и катушки на предыдущем рисунке,
реализует логическое И с инверсными входами. Результат поступает на выход Q0.0.
Структура программы в представлении STL уже требует более глубоких
объяснений. Программа состоит из трёх инструкций:
LDN M0.0
–
AN M0.1
–
= Q0.0
–
инверсная загрузка содержимого ячейки M0.0 в специальный стек
программы;
произвести логическое И значения с вершины стека с инверсным
значением из M0.1 и записать итог в стек;
произвести запись содержимого вершины стека в ячейку Q0.0
регистра цифрового выхода;
В частности, именно использование специального стека объясняет ситуацию,
когда невозможно подключить катушку непосредственно к общей сигнальной шине
при использовании представления LAD.
80
Ранее было сказано, что вся программа делится на отдельные ветви. Также
пояснялось, что движение в программе (для представлений LAD и FBD) идёт слева
направо. При завершении программы, соответствующей одной ветви, ПЛК переходит
к выполнению части программы, записанной в другой ветви. То есть, выполнение
программы является последовательным, а не параллельным. Движение идёт
слева направо, сверху вниз.
Рассмотрим три варианта связей между элементами, позволяющие определить
полный набор логических операций при использовании представления LAD.
1. Логическое И
Для задания комплексного условия, соответствующего логическому И между отдельными условными операциями, используется последовательная цепь инструкций, как
показано на рисунке 4.36.
Рисунок 4.36 ─ Последовательное соединение
элементов, реализующих логическое И
(Q0.0 = M0.0 и M0.1)
2. Логическое ИЛИ
Для задания комплексного условия, соответствующего логическому ИЛИ между
отдельными условными операциями, используются параллельные цепи инструкций,
как показано на рисунке 4.37.
81
Рисунок 4.37 ─ Параллельное соединение
элементов, реализующих логическое ИЛИ
(Q0.0 = [(M0.0 и M0.1) или M1.0] )
3. Дополнительный выход (разветвление программы)
Часто в программах необходимо произвести разветвление от какой-либо исходной
точки, чтобы выполнить независимые друг от друга операции. Ветвь с таким разделением показана на рисунке 4.38.
Рисунок 4.38 ─ Разветвление программы с
исходным начальным условием
В данном случае исходным условием является замыкание первого выключателя,
связанного с M0.0. Далее происходит выполнение двух подветвей. Вначале выполняется первая, где условие замыкания выключателя связано с M0.1. Затем уже
выполняется вторая, где условие замыкания связано уже с M1.0.
Кроме всего вышесказанного отметим, что во время отладки программы в режиме
реального времени режим представления программы несколько изменяется. А именно
запрещается редактирование ветвей программы и появляется дополнительная инфор82
мация о состоянии сигналов и актуальном значении переменных, связанных с теми
или иными ячейками памяти.
ТАБЛИЦА ВРЕМЕННЫХ ПЕРЕМЕННЫХ
Для задания временных переменных в программе используется таблица, выделенная на рисунке 4.7 номером 4. Особенности использования данного типа памяти
будут описаны далее. Здесь же отметим, что для задания новой переменной необходимо указать её имя, а также тип данных. В соответствии с типом данных будет
автоматически определена ячейка памяти для данной переменной. Пример задания
временной переменной показан на рисунке 4.39.
Рисунок 4.39 ─ Таблица задания временных переменных
ЭЛЕМЕНТЫ БЫСТРОГО ЗАПУСКА ДЛЯ НАСТРОЙКИ ПАРАМЕТРОВ
ПРОЕКТА
Элементы быстрого запуска представляют собой ссылки на уже рассмотренные
ранее блоки и таблицы из дерева проекта. Они предназначены для повышения
удобства использования Step 7 Micro/WIN.
СТАНДАРТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ БЫСТРОГО ЗАПУСКА
Как и в большинстве современных программ, имеющих графический интерфейс пользователя, в Step 7 Micro/WIN имеется набор элементов (кнопок) быстрого
83
запуска, реализующих стандартные функции записи-чтения, редактирования, работы
с буфером и т. д. Данные элементы помещены на верхнюю панель программы (6 на
рисунке 4.7). Однако помимо панелей со стандартными элементами необходимо
выделить панель с кнопками, реализующими загрузку программы в ПЛК (download) и
считывания из него данных (upload), а также некоторые функции для изменения
режима работы контроллера (RUN и STOP) и включения и работы в режиме отладки
(Program Status и другие).
4.5 Цикл работы системы
Одной из самых отличительных черт программирования для ПЛК является
осознание того факта, что исполнение программы происходит многократно, в отличие
от программ, разработанных для персональных компьютеров и микрокомпьютеров
(микроконтроллеров), которые запускаются операционной системой однократно.
Данная особенность обусловлена необходимостью создания систем автоматизации,
работающих в режиме реального времени с возможностью постоянного считывания
данных из входных каналов и записи управляющих данных в выходные каналы
контроллера. В связи с этим микропрограмма, реализующая функции операционной
системы в ПЛК, выполняет несколько задач в замкнутом цикле. Рассмотрим общий
цикл работы ПЛК Siemens Simatic S7-200, блок-схема которого представлена на
рисунке 4.40.
84
НАЧАЛО
ЧТЕНИЕ ВХОДОВ
фиксация состояния
физических входов в
регистре образов процесса
ВЫПОЛНЕНИЕ
ПРОГРАММЫ
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ
КОММУНИКАЦИИ
отработка запросов на
обмен данными
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ
САМОДИАГНОСТИКИ
проверка состояния и
правильности работы системы,
программы и модулей
расширения
ЗАПИСЬ В ВЫХОДЫ
значения с регистра выходов
образа процесса передаются на
физические выходы
Рисунок 4.40 ─ Блок-схема общего
цикла работы ПЛК Simatic S7-200
Этап чтения входов
Выполнение этапа чтения зависит от типа входов. Так, для цифровых входов
осуществляется запись в специальные регистры образов процесса в самом начале
каждого цикла. В то же время Чтение данных для аналоговых входов зависит от того,
85
используется ли встроенный фильтр и является ли данный аналоговый вход встроенным, либо предоставляется модулем расширения. В случае, если для аналогового
входа включен фильтр, то обновление происходит один раз за цикл. Если же фильтр
для аналогового входа выключен, то считывание значения с данного аналогового
входа происходит всякий раз, когда к нему идёт обращение в программе. Для ПЛК
CPU 224XP считывание данных с аналоговых входов производится в каждом цикле,
так как используется АЦП типа сигма-дельта (см. таблицу 4.6).
Этап выполнения программы
На данном этапе происходит выполнение программы пользователя от точки
входа (первой инструкции) до точки выхода (последней инструкции). Прерывания
также являются частью программы пользователя. Однако, в отличие от основного
блока, выполняемого сразу после этапа чтения входов, блоки прерываний выполняются сразу же при наступлении соответствующего им события независимо от того,
на каком этапе общего цикла это произошло.
Этап решения задач коммуникации
На данном этапе производится обработка сообщений и запросов на передачу
данных через коммуникационные порты. Учитывая, что это делается независимо от
основной программы пользователя, то в таких системах взаимодействие, например, с
системами человеко-машинного интерфейса, производятся автоматически по запросам от последних. Программисту, создаваемому программу для ПЛК в данном случае
не нужно заботиться о необходимости организации такой связи.
Этап самодиагностики
На данном этапе микропрограмма CPU, выполняющая функции операционной
системы, запускает подпрограммы диагностики состояния аппаратного обеспечения, а
86
также определяет правильность работы программы пользователя.
Этап записи в выходы
Выполнение этапа записи также, как и в случае входов, зависит от типа
выходов. В случае дискретных выходов запись из образов процесса производится в
конце цикла. Если же рассматривать аналоговые выходы, то запись в них производится сразу же при обновлении содержимого соответствующих ячеек памяти.
4.6 Организация памяти
Основной целью любой программы, будь она разработана для персональных
компьютеров,
однокристальных
микрокомпьютеров
(микроконтроллеров)
или
программируемых логических контроллеров, является манипулирование информацией. В частности здесь под информацией понимаются данные, которые хранятся
внутри программы, а также те, которые программа получает на входах и отправляет
на выходы. В цифровых системах данные хранятся в специальных устройствах
памяти. При этом чётко определяется, к каким сегментам и частям памяти может
производиться доступ. В классических на данный момент персональных компьютерах
наименьшей стандартной единицей объёма памяти является Байт. В соответствии с
этим формируются требования к форматам доступа, где адресация должна позволять
доступ к конкретному байту в памяти.
В контроллерах Siemens Simatic S7, также используются стандартизированные
типы запоминающих устройств, где минимальной ячейкой является Байт. Однако
микропрограмма ПЛК расширяет предоставленные возможности, в результате чего в
программе пользователя можно использовать обращение к ячейкам памяти, указанным в таблице 4.8.
87
Таблица 4.8 ─ Размеры ячеек памяти, с которыми осуществляется работа в Simatic S7
Название
Разрядность, диапазон
значений
1 bit
{0, 1}
bit
Byte
Описание
Бит. Предназначен для хранения и
работы с данными булевского типа
(хранение флагов)
=8bit
{0, 255} – целы без знака
{-128, 127} – целые со знаком
Байт. Предназначен для хранения
малых целочисленных данных со
знаком или без знака.
Идентификатор данного типа – B
=2Byte=16bit
{0, 65535} – целые без знака
{-32768, 32767} – целые со
знаком
Слово. Предназначено для хранения
целочисленных данных с большим
диапазоном значений.
Идентификатор данного типа – W
Word
=2Word=4Byte=32bit
{0, 232-1} – целые без знака;
{-231, 231-1} – целые со знаком;
положительные вещественные:
DoubleWord
{1.175495E-38, 3.402823E+38}
отрицательные вещественные:
{-3.402823E+38, -1.175495E-38}
Двойное слово. Предназначено для
работы с целочисленными
переменными, требующими очень
большой интервал, вещественными
числами, осуществления косвенной
адресации и т. д.
Идентификатор данного типа – D
Теперь, зная, к каким ячейкам памяти может быть обращение в программах для ПЛК
Siemens Simatic S7, приведём таблицу типов памяти, которые используются в
контроллерах S7-200.
Таблица 4.9 ─ Типы памяти и характеристики доступа для ПЛК S7-200 CPU 224XP
Идентификатор
типа памяти
Описание
Доступ
Диапазон,
Форcир.
Сохранение
Байт
режим
I
Bit: чт/зп
Цифровые входы,
Byte: чт/зп
регистр образов
Word: чт/зп
процесса
DWord: чт/зп
0 – 15
–
+
Q
Bit: чт/зп
Цифровые выходы,
Byte: чт/зп
регистр образов
Word: чт/зп
процесса
DWord: чт/зп
0 – 15
–
+
88
Идентификатор
типа памяти
M
SM
V
T
C
Описание
Доступ
Bit: чт/зп
Byte: чт/зп
Меркерная память
Word: чт/зп
DWord: чт/зп
Диапазон,
Форcир.
Сохранение
Байт
режим
0 – 31
+
+
Специальная
память
Bit: чт/зп
Byte: чт/зп
Word: чт/зп
DWord: чт/зп
0 – 549
–
–
Память
переменных
Bit: чт/зп
Byte: чт/зп
Word: чт/зп
DWord: чт/зп
0 – 10239
+
+
Триггеры
T-bit: чт/зп
Byte: –
Word: чт/зп
DWord: –
Счётчики
C-bit: чт/зп
Byte: –
Word: чт/зп
DWord: –
0 – 255Word
0 – 255Word
T-bit – нет
T-Word – да
C-bit – нет
C-Word – да
–
–
HC
Высокоскоростные Bit: –
счётчики
Byte: –
Word: –
DWord: чт
0 – 5DWord
–
–
AI
Bit: –
Byte: –
Аналоговые входы
Word: чт
DWord: –
0 – 62Word
–
+
0 – 62Word
–
+
AQ
AC
L
Аналоговые
выходы
Bit: –
Byte: –
Word: зп
DWord: –
Аккумуляторные
регистры
Bit: –
Byte: чт/зп
Word: чт/зп
DWord: чт/зп
0–3
–
–
Локальные
переменные
Bit: чт/зп
Byte: чт/зп
Word: чт/зп
DWord: чт/зп
0 – 59
–
–
89
Идентификатор
типа памяти
S
Описание
Реле управления
очерёдностью
Доступ
Bit: чт/зп
Byte: чт/зп
Word: чт/зп
DWord: чт/зп
Диапазон,
Форcир.
Сохранение
Байт
режим
0 – 31
–
–
Укажем развёрнутое описание и особенности для некоторых типов памяти.
Память переменных – V
Используется для хранения переменных, результатов вычислений, исходных данных и
т. п. Является основной рабочей памятью, используемой при разработке программ для
ПЛК S7-200.
Битовая (меркерная) память – M
Используется в основном для хранения переменных булевского типа (Флагов; Bool),
используемых как управляющие реле. Всего в ПЛК S7-200 можно использовать 256
таких переменных.
Таймеры – T
В контроллере S7-200 существует несколько вариантов таймеров, которые имеют
различные периоды между импульсами опорного сигнала: 1мс, 10мс, 100мс. С
каждым из таймеров связаны две ячейки памяти: 1) регистр текущего значения
таймера (16 разрядов) – хранит количество импульсов с начала отсчёта; 2) бит
таймера – устанавливается в тот момент, когда текущее значение сравнивается с
предустановленным значением.
Счётчики – C
В контроллере S7-200 существует три вида счётчиков в зависимости от направления
90
счёта: 1) счёт в прямом направлении; 2) счёт в обратном направлении; 3) счёт в
прямом или обратном направлении. Счётчики выполняют подсчёт нарастающих
фронтов на счётных входах ПЛК. Также, как и таймеры, имеют две ячейки памяти:
для текущего значения и для бита.
Скоростные счётчики – HC
Для регистрации быстрых событий вне зависимости от цикла работы CPU в ПЛК S7200 введены скоростные счётчики. Для того, чтобы использовать скоростной счётчик,
необходимо провести его конфигурирование с помощью соответствующего мастера
(см. раздел 4.4).
Специальная память – SM
Специальная память предназначена для возможности конфигурирования и управления
работой CPU из программы пользователя.
АДРЕСАЦИЯ
В контроллера S7-200 существует возможность осуществлять доступ к данным
используя как прямую, так и косвенную адресацию.
Прямая адресация
Прямая адресация предполагает непосредственную запись адреса ячейки памяти, к
которой будет производиться обращение тем или иным оператором. В контроллерах
семейства Siemens Simatic S7 установлен следующий формат записи прямой
адресации:
Mem_Id
идентификатор типа памяти
Size_Id
идентификатора размера
ячейки памяти
91
Byte_Number
номер начального байта для
данной ячейки
Примеры: IB0, QW1, VD4, AIW0, AIW2, AQW4, AC3, SMB1
Для получения доступа к отдельным разрядом в ячейках используется следующий
формат:
Mem_Id
идентификатор типа памяти
Byte_Number
номер байта
.
bit_Number
номер разряда в байте
Примеры: I0.0, Q1.2, M3.7, V100.4
Отметим, как осуществляется адресация разрядов внутри байта, а также расположение старших и младших числовых данных в ячейках памяти, имеющих размерность 2Байта и 4Байта.
Адресация разрядов в байте (Byte):
7
старший
разряд
6
5
4
3
2
1
0
младший
разряд
Адресация в слове (Word):
15
Старший байт (MSB)
8
7
Младший байт (LSB)
0
Адресация в двойном слове (DoubleWord):
Старшее слово
31 Старший байт 24 23
Младшее слово
16 15
8 7 Младший байт 0
Примеры программ, где использовалась прямая адресация к ячейкам памяти,
показаны на рисунках 4.33, 4.34, 4.35, 4.36, 4.37 и 4.38.
92
Косвенная адресация
Косвенная адресация предполагает работу с адресом той ячейки памяти, с которой
будет осуществляться дальнейшая работа. В отличие от прямой адресации, косвенная
адресация позволяет решать большинство задач, где требуется предварительно вычислить каким-либо способом (в зависимости от алгоритма) адрес ячейки памяти, а уже
затем только производить туда запись или чтение. В качестве примера можно привести задачу мониторинга состояния внешней среды, где необходимо хранить массив
данных с предыдущими измерениями, а также добавлять новые.
Ячейка памяти, в которую записан адрес другой ячейки памяти, называется
указателем. Для указателей может использоваться только память переменных (V),
память локальных данных (L), либо аккумуляторные регистры (AC). Указатели имеют
размер DoubleWord (32 разряда).
Для создания указателя используется инструкция «Переместить двойное слово»
(LAD и FBD: MOV_DW; STL: MOVD). При этом используется прямая адресация
ячейки памяти с размером Byte. Для взятия адреса ячейки памяти используется
символ &. Для того, чтобы обратиться к ячейке памяти, адрес которой находится в
указателе, используется символ *.
Пример косвенной адресации на STL:
LD M0.0
Поместить в стек значение из ячейки M0.0
MOVD &VB100, AC1
Поместить в аккумулятор AC1 адрес ячейки VB100
MOVW *AC1, AC0
Поместить в аккумулятор AC0 содержимое ячейки VW100
(Слово!), на которую ссылается указатель AC1
4.7 Базовые логические и арифметические инструкции
Рассмотрим
кратко
набор
инструкций
арифметические и логические действия.
93
ПЛК
S7-200,
которые
производят
Битовые логические операции
LAD
STL
Описание
-| |-
LD, A, O
Нормально разомкнутый контакт
-| / |-
LDN, AN, ON
Нормально замкнутый контакт
-| I |-
LDI, AI, OI
Непосредственно управляемый нормально разомкнутый
контакт (не зависит от цикла ПЛК; немедленное обновление)
-| /I |-
LDNI, ANI,
ONI
Непосредственно управляемый нормально замкнутый контакт
(не зависит от цикла ПЛК; немедленное обновление)
-| P |-
EU
Положительный фронт. При обнаружении изменения в
вершине стека 0 → 1, изменяет значение в вершине стека на 1.
Иначе устанавливается 0. Действует в течение цикла.
-| N |-
ED
Отрицательный фронт. При обнаружении изменения в вершине
стека 1 → 0, изменяет значение в вершине стека на 1. Иначе
устанавливается 0. Действует в течение цикла.
-| NOT |-
NOT
Отрицание. Инвертирует значение в вершине стека
-( )
=
Присваивание значения для выходного бита регистра образа
процесса. (Копирование значения на вершине стека в
указанный бит)
-( I )
=I
Непосредственное присваивание. Производится запись не
только в образ процесса, но и сразу же на физический выход
-( S )
S
Установка заданного количества разрядов.
-( SI )
SI
Непосредственная установка заданного количества разрядов.
-( R )
R
Сброс заданного количества разрядов.
-( RI )
RI
Непосредственный сброс заданного количества разрядов.
SR
–
RS-триггер с установкой в «1» при запрещённой комбинации.
RS
–
RS-триггер с установкой в «0» при запрещённой комбинации.
Арифметические операции
LAD
STL
Описание
ADD_I
+I
Сложение целых чисел со знаком (тип Int, 16bit)
ADD_DI
+D
Сложение двойных целых чисел со знаком (тип DInt, 32bit)
ADD_R
+R
Сложение вещественных чисел со знаком (тип Float, 32bit)
SUB_I
-I
Вычитание целых чисел со знаком (тип Int, 16bit)
SUB_DI
-D
Вычитание двойных целых чисел со знаком (тип DInt, 32bit)
SUB_R
-R
Вычитание вещественных чисел со знаком (тип Float, 32bit)
94
LAD
STL
Описание
MUL_I
*I
Умножение целых чисел со знаком (тип Int, 16bit)
MUL_DI
*D
Умножение двойных целых чисел со знаком (тип DInt, 32bit)
MUL_R
*R
Умножение вещественных чисел со знаком (тип Float, 32bit)
DIV_I
/I
Деление целых чисел со знаком (тип Int, 16bit)
DIV_DI
/D
Деление двойных целых чисел со знаком (тип DInt, 32bit)
DIV_R
/R
Деление вещественных чисел со знаком (тип Float, 32bit)
Приведённый набор инструкций является очень кратким. Более полный список
инструкций может быть найден в документации на ПЛК Simatic S7-200 [4].
4.8 Система прерываний ПЛК Siemens Simatic S7-200
Во время изучения блоков дерева проекта (раздел 4.4, рисунок 4.7 ) было
сказано, что для рассматриваемого ПЛК CPU 224XP пользователем может быть
создано до 128 прерываний (с номерами от 0 до 127 соответственно).
Прерывания – это событие, в соответствии с которыми вызываются специальные части программы (обработчики прерываний). Особенностью данных вызовов, как
было указано в разделе 4.5, является независимость их выполнения от текущего этапа
цикла работы ПЛК. Рассмотрим подробнее, каким образом создаются обработчики
прерываний и производится их конфигурирование для реагирования на определённые
события.
Рассмотрим группы событий, для которых могут быть созданы обработчики
прерываний (для CPU 224XP).
Таблица 4.10 ─ Группы событий, которые могут вызывать прерывания
События
0–7
8, 9, 23
Описание
Нарастающий и падающий фронты для цифровых входов I0.0 – I0.3
События, связанные с передачей данных по порту 0
95
События
24, 25, 26
Описание
События, связанные с передачей данных по порту 1
10, 11
Управляемые временем прерывания 0 и 1
19, 20
Прерывания по завершению отсчёта количества импульсов PTO
21, 22
Прерывания для таймеров T32 и T96 (CT=PT)
12, 27, 28
Прерывания, связанные с высокоскоростным счётчиком HSC0
13, 14, 15
Прерывания, связанные с высокоскоростным счётчиком HSC1
16, 17, 18
Прерывания, связанные с высокоскоростным счётчиком HSC2
32
Прерывания, связанные с высокоскоростным счётчиком HSC3
29, 30, 31
Прерывания, связанные с высокоскоростным счётчиком HSC4
33
Прерывания, связанные с высокоскоростным счётчиком HSC5
Для того, чтобы блок обработчика прерывания был связан с определённым
событием, необходимо выполнить инструкцию связи: ATCH. При этом одна
программа обработки прерывания может быть сопоставлена сразу нескольким
событиям.
Обратное
невозможно.
После
выполнения
инструкции
ATCH
прерывающее событие будет разблокировано.
Чтобы произвести рассоединение события с блоком обработки прерываний
используется инструкция DTCH. При этом указанное событие будет после выполнения инструкции заблокировано.
Прерывания выполняются CPU в том порядке, в котором они появляются с
учётом группы приоритета. В любой момент времени может исполняться только один
обработчик прерываний. Обработчик прерываний не может быть прерван другим
обработчиком прерывания, даже если событие этого прерывания имеет наивысший
приоритет. Данная ситуация связана с поступлением событий прерываний в очередь.
Всего существует три очереди прерываний. В каждой очереди может храниться
определённое количество вызовов. Рассмотрим это на примере CPU 224XP:
•
Очередь коммуникационных прерываний – может содержать до 8 вызовов;
•
Очередь прерываний по вводу/выводу – может содержать до 16 вызовов;
•
Очередь прерываний, управляемых временем – может содержать до 8 вызовов.
96
В случае, если очередь полна и поступает ещё одно событие на прерывание, то
выставляется специальный бит переполнения очереди прерываний. Когда очередь
опустошается производится сброс данных битов.
Каждая группа прерываний имеет свой приоритет. Также и события, принадлежащие данной группе прерываний, имеют уровень группового приоритета. Помимо
распределения по очередям, прерывания выполняются в соответствии с уровнями
приоритетов. Всего существует три групповых приоритета, которые связаны с
соответствующими очередями:
•
Наивысший приоритет – коммуникационные прерывания;
•
Средний приоритет – дискретные прерывания (ввода/вывода);
•
Низший приоритет – прерывания, управляемые временем.
Более подробное описание приоритетов, событий и особенностей вызовов
обработчиков прерываний может быть найдено в документации по ПЛК S7-200 [4,
с.155-160].
4.9 Таймеры и счётчики
Устройства счёта, как и устройства, предоставляющие опорный импульсный
сигнал с заданным периодом, являются неотъемлемыми атрибутами любой системы
автоматизации. В связи с этим рассмотрим, какие именно счётчики и таймеры могут
быть использованы при применении ПЛК S7-200 (CPU 224XP). При рассмотрении
типов памяти в разделе 4.6 было сказано о том, что ПЛК S7-200 CPU 224XP имеет в
своём составе 256 таймеров, 256 счётчиков и 6 высокоскоростных счётчиков.
97
Счётчики
Контроллер S7-200 имеет в своём составе инструкции для работы со следующими
счётчиками:
•
Счётчики Simatic
◦ с прямым счётом
◦ с обратным счётом
◦ реверсивные
•
Счётчики IEC 1131
◦ суммирующие
◦ вычитающие
◦ реверсивные
Инструкции для работы со счётчиками Simatic приведены в таблице 4.11. Инструкции
для работы со счётчиками IEC 1131 похожи на инструкции Simatic. Подробную
информацию о них приведена в документации [4, с.118].
Таблица 4.11 ─ Инструкции для работы со счётчиками Simatic в S7-200
Инструкция
Описание
CTU
Прямой счёт. Увеличение текущего значения счётчика происходит при
поступлении нарастающего фронта на входе CU. Когда значение регистра
больше или равно предустановленному значению PV, бит данного счётчика
устанавливается в 1. Сброс счётчика осуществляется по сигналу R.
Максимальное значение счёта: 32767
CDT
Обратный счёт. Уменьшение текущего значения счётчика происходит при
поступлении нарастающего фронта на входе CD. Когда значение регистра
равно 0, бит данного счётчика устанавливается в 1. Сброс бита счётчика и
загрузка предустановленного значения PV осуществляется по сигналу LD.
98
Инструкция
Описание
CTUD
Реверсивный счётчик. Увеличение текущего значения счётчика происходит
при поступлении нарастающего фронта на входе CU. Уменьшение текущего
значения счётчика происходит при поступлении нарастающего фронта на
входе CD. При достижении максимального значения (32767) нарастающий
фронт на входе CU переведёт счётчик в минимальное значение (-32768). В
случае же прихода нарастающего фронта на CD при минимальном значении,
происходит переход к максимальному значению. Бит счётчика
устанавливается, если текущее значение счёта больше или равно
предустановленному PV.
Высокоскоростные счётчики
Контроллер CPU 224XP оснащён шестью высокоскоростными счётчиками, которые
обеспечивают счёт импульсов независимо от цикла работы ПЛК. В отличие от
стандартных счётчиков, рассмотренных выше, высокоскоростные счётчики необходимо сконфигурировать перед использованием. Наиболее простой способ создания
актуальной конфигурации высокоскоростного счётчика состоит в вызове мастера
«High Speed Counter». При работе с мастером необходимо в первую очередь определить номер счётчика, а также задать режим его работы. В соответствии с документацией [4, с.122] существует тринадцать режимов работы высокоскоростных счётчиков.
Данные режимы представлены в таблице 4.12.
Таблица 4.12 ─ Режимы работы высокоскоростных счётчиков S7-200
Режим
Описание
0
Однофазный счётчик с внутренним управлением направлением счёта.
Вход Start и вход Reset отсутствуют.
1
Однофазный счётчик с внутренним управлением направлением счёта.
Вход Start отсутствует. Используется вход Reset.
2
Однофазный счётчик с внутренним управлением направлением счёта.
Используется вход Start и вход Reset.
3
Однофазный счётчик с внешним управлением направлением счёта.
Вход Start и вход Reset отсутствуют.
4
Однофазный счётчик с внешним управлением направлением счёта.
Вход Start отсутствует. Используется вход Reset.
5
Однофазный счётчик с внешним управлением направлением счёта.
Используется вход Start и вход Reset.
99
Режим
Описание
6
Двухфазный счётчик с двумя тактовыми входами.
Вход Start и вход Reset отсутствуют.
7
Двухфазный счётчик с двумя тактовыми входами.
Вход Start отсутствует. Используется вход Reset.
8
Двухфазный счётчик с двумя тактовыми входами.
Используется вход Start и вход Reset.
9
Квадратурный счётчик с фазами A/B.
Вход Start и вход Reset отсутствуют.
10
Квадратурный счётчик с фазами A/B.
Вход Start отсутствует. Используется вход Reset.
11
Квадратурный счётчик с фазами A/B.
Используется вход Start и вход Reset.
12
Только HSC0. Однофазный счётчик, считающий количество импульсов,
выдаваемых на Q0.0
Только HSC3. Однофазный счётчик, считающий количество импульсов,
выдаваемых на Q0.1
Более подробную информацию по настройке и использованию скоростных счётчиков
можно найти в документации [4, с.120].
Таймеры
При рассмотрении организации памяти в разделе 4.6 в таблице 4.9 были приведены
данные о том, что в контроллерах Simatic S7-200 существует возможность использования следующих таймеров. Так, при использовании CPU 224XP доступно 256
таймеров. В таблице 4.13 рассмотрены возможные для S7-200 типы таймеров Simatic
и указаны их краткие характеристики.
100
Таблица 4.13 ─ Таймеры Simatic, использующиеся в ПЛК Simatic S7-200
Тип таймера
Таймер с
задержкой
включения
Таймер с
задержкой
включения с
запоминанием
Таймер с
задержкой
выключения
Инструкция
LAD
Описание
TON
Производится отсчёт времени, когда разрешающий вход
IN=1. В случае, если IN=0, таймерный бит
сбрасывается, а текущее значение = 0. Если текущее
значение больше или равно предустановленному PT,
таймерный бит устанавливается в единицу.
Максимальное значение: 32767. При достижении
максимального значения таймер не сбрасывается.
TONR
Производится отсчёт времени, когда разрешающий вход
IN=1. В случае, если IN=0, таймерный бит и текущее
значение сохраняют последнее значение.
Если текущее значение больше или равно
предустановленному PT, таймерный бит
устанавливается в единицу.
Максимальное значение: 32767. При достижении
максимального значения таймер не сбрасывается.
TOF
Производится отсчёт времени, когда разрешающий
входе IN=0. При IN=1 бит таймера установлен, текущее
значение = 0. При достижении текущего значения
предустановленному бит таймера сбрасывается, отсчёт
останавливается.
При работе с таймерами необходимо точно определить требуемую разрешающую
способность. Таймеры Simatic могут иметь одну из трёх разрешающих способностей:
•
разрешающая способность = 1мс:
таймеры TON, TOF – T32, T96
таймеры TONR – T0, T64;
•
разрешающая способность = 10мс:
таймеры TON, TOF – T33-T36, T97-T100
таймеры TONR – T1-T4, T65-T68;
•
разрешающая способность = 100мс:
таймеры TON, TOF – T37-T63, T101-T255
таймеры TONR – T5-T31, T69-T95.
Разрешающая способность соответствует периоду опорного импульсного сигнала. В
101
соответствии с этим время счёта вычисляется как произведение разрешающей
способности таймера и текущего значения, находящегося в регистре.
Выбор разрешающей способности таймера очень важен с точки зрения работы самого
таймера в течение цикла ПЛК.
Для таймеры с разрешающей способностью 1мс обновление текущего значения
и таймерного бита независимо от цикла программы. Если данный цикл длится более
1мс, то текущее значение может обновиться несколько раз.
Для таймеров с разрешающей способностью 10мс обновление текущего значения и таймерного бита происходит в начале каждого цикла. В течение цикла данные
значения не меняются. Интервал времени выполнения предыдущего цикла добавляется каждый раз к текущему значению в начале нового цикла.
Для таймеров с разрешающей способностью 100мс обновление текущего значения и таймерного бита производится при выполнении команды. В следствии этого,
чтобы значение таймера были верными, необходимо вызывать команду только один
раз за цикл.
4.10
Управление аналоговыми устройствами с использованием
широтно-импульсной модуляции
В разделе 4.3.1 в качестве примера рассматривалась задача управления двигате-
лем постоянного тока (ДПТ). Изучая характеристики ПЛК было предложено решение
по использованию цифрового выхода, чтобы обеспечить достаточную мощность
управляющего сигнала. В то же время для управления скоростью вращения вала ДПТ
необходимо управлять действующим значением напряжения. В качестве выхода из
сложившейся
ситуации
было
предложено
использовать
широтно-импульсную
модуляцию (ШИМ). Широтно-импульсная модуляция предполагает управление
102
шириной импульсов, поступающих на вход управляемого устройства. Период
повторения импульсов при этом остаётся постоянным. Чем больше ширина
импульсов, тем больше среднее действующее значение сигнала.
В контроллерах S7-200 CPU 224XP существует встроенные функции для
решения задач позиционирования. Чтобы произвести конфигурацию внутренней
функции ШИМ, необходимо запустить мастер PTO/PWM из дерева проекта, интерфейс которого показан на рисунке 4.41.
Рисунок 4.41 ─ Мастер настройки параметров функции
позиционирования
При вызове мастера пользователь должен выбрать один из цифровых выходов
(Q0.0 или Q0.1), на который будет выводится импульсный сигнал. Далее необходимо
выбрать один из двух режимов работы: linear Pulse Train Output (линейный импульсный выход) либо Pulse Width Modulation (широтно-импульсная модуляция). Режим
импульсного выхода предполагает подачу на объект управления фиксированного
количества импульсов с постоянной скважностью равной двум. Для решения
поставленной задачи необходимо выбрать режим PWM. Также необходимо указать
масштаб времени при задании периода и ширины импульсов: миллисекунды либо
микросекунды. Окно мастера с указанными параметрами показано на рисунке 4.42.
103
Рисунок 4.42 ─ Выбор импульсного режима управления
PWM (ШИМ)
На этом работа мастера заканчивается. Среди вызываемых подпрограмм (Call
Routines) в дереве библиотеки инструкций появится функция PWR0_RUN или
PWR1_RUN в зависимости от того, какой цифровой выход был использован. Данная
функция вызывается из основного блока программы и задаёт в качестве параметра
период и ширину импульсов. Управление происходит по сигналу RUN. Пример
использования ШИМ с постоянным периодом и переменной шириной импульсов
показан на рисунке 4.43.
Рисунок 4.43 ─ Пример
применения функции ШИМ
104
4.11
Контрольные вопросы
1. Дайте общую характеристику аппаратной части ПЛК Siemens Simatic S7-200
CPU 224XP.
2. Какими каналами ввода-вывода снабжён CPU 224XP?
3. Какое количество дискретных (цифровых) выходных каналов имеется у CPU
224XP?
4. Какие основные электрические характеристики у дискретных (цифровых)
выходных каналов CPU 22XP?
5. Приведите схемы включения дискретных (цифровых) выходов CPU 224XP.
6. Возможна ли непосредственная коммутация дискретных (цифровых) выходных
каналов ПЛК CPU 224XP с устройствами на базе ТТЛ? Если возможна, то
каким образом?
7. В каком случае возможна ситуация, когда светодиодный индикатор дискретного
(цифрового) выхода указывает на состояние логической единицы (горит зелёным цветом), а приёмное устройство (какой-либо привод) не запускается (не
устанавливает соответствующее состояние)?
8. В случае короткого замыкания одного из дискретных (цифровых) выходов, что
произойдёт с ПЛК?
9. Дайте общее описание аналоговых выходов CPU 224XP.
10. Приведите схемы включения аналоговых выходов CPU 224XP.
11. Защищён ли ПЛК CPU 224XP от нештатных ситуаций, связанных с
аналоговыми выходами?
12. Какое количество дискретных (цифровых) входных каналов имеется у CPU
224XP?
13. Какие основные электрические характеристики у дискретных (цифровых)
105
входных каналов CPU 22XP?
14. Приведите схемы включения дискретных (цифровых) входов CPU 224XP.
15. Возможна ли непосредственная коммутация дискретных (цифровых) входных
каналов ПЛК CPU 224XP с устройствами на базе ТТЛ? Если возможна, то
каким образом?
16. В случае превышения величины напряжения для одного из дискретных
(цифровых) входов, что произойдёт с ПЛК?
17. Дайте общее описание аналоговых входов CPU 224XP.
18. Приведите схемы включения аналоговых входов CPU 224XP.
19. Защищён ли ПЛК CPU 224XP от нештатных ситуаций, связанных с
аналоговыми входами?
20. Дайте расшифровку символьных обозначения клемм питания ПЛК.
21. Приведите стандартную цветовую маркировку проводов питания ПЛК.
22. Что такое модули расширения ПЛК S7-200?
23. Каким образом производится подключение и настройка модулей расширения
для ПЛК S7-200?
24. Приведите существующие типы модулей расширения для ПЛК S7-200.
25. Приведите структуру программы для ПЛК S7-200.
26. Какое количество подпрограмм и прерываний может быть использовано в
программе для ПЛК S7-200?
27. Что такое блоки данных и как они используются?
28. Что такое таблицы символов и как они используются?
29. Что такое диаграммы состояний и как они используются?
30. Дайте общую характеристику системным блокам.
31. Дайте описание коммутационных портов и укажите, какие их параметры и как
106
могут быть изменены.
32. Что значит «сохраняемая память» и где производится настройка для данного
режима?
33. Приведите характеристики системных настроек для цифровых и аналоговых
входов и выходов.
34. Каким образом производится поиск ПЛК в сети и установки связи между ним и
программой Step7 Micro/WIN?
35. Дайте общую характеристику мастеров (Wizards).
36. Дайте общую характеристику библиотеки инструкций (функций).
37. Где задаются локальные переменные?
38. Приведите общий цикл работы ПЛК S7-200 и дайте краткое описание каждого
из этапов.
39. Приведите список стандартных размеров для ячеек памяти, с которыми
производится работа в программе ПЛК S7-200.
40. Какие типы памяти существуют в ПЛК S7-200?
41. Приведите форматы прямой адресации.
42. Каким образом производится косвенная адресация?
43. Опишите систему прерываний ПЛК S7-200.
44. Что такое приоритеты прерываний и очереди прерываний?
45. Что такое таймеры и какие типы таймеров определены в ПЛК S7-200?
46. Каким образом разрешающая способность таймера связана с выполнением
основной программы?
47. Что такое счётчики и какие типы счётчиков определены в ПЛК S7-200?
48. Дайте характеристику высокоскоростных счётчиков.
107
5 РАБОТА С СИСТЕМОЙ ЧМИ Siemens Simatic TP177
micro
5.1 Внешний вид и общие характеристики
При построении систем автоматизации одной из важных подсистем являются
средства взаимодействия с оператором. Чаще всего на оператора возлагаются
следующие функции:
•
выбор технологического процесса (или рецепта), в соответствии с которым
будет работать установка;
•
описание новых рецептов (задание параметров);
•
оценка общего состояния системы и отдельных агрегатов и процессов на
основе данных мониторинга;
•
установка параметров системы в соответствии с используемым оборудованием
(только для инженеров, занимающихся мониторингом всех параметров системы
и алгоритмов управления).
Таким образом, не только автоматизированные, но и полностью автоматические
системы в большинстве случаев не обходятся без систем человеко-машинного интерфейса. В данном разделе рассматривается одна из таких систем – сенсорная панель
Siemens Simatic Touch Panel TP177 micro, внешний вид которой показан на рисунке
5.1. Данная сенсорная панель является одной из самых простейших моделей и была
предложена фирмой Siemens в качестве простейшей системы человеко-машинного
интерфейса (ЧМИ) для совместного использования с ПЛК серии S7-200. Основные
технические характеристики данной сенсорной панели приведены в таблице 5.1. Как
и в случае с ПЛК Siemens Simatic, номер устройства, напряжение питания, интерфейсы и другая информация указаны на корпусе самого устройства. В случае
сенсорных панелей Simatic данная информация приведена на тыльной стороне
108
изделия, как показано на рисунке 5.2.
Рисунок 5.1 ─ Внешний вид сенсорной панели
оператора Simatic TP177 micro
Рисунок 5.2 ─ Информация о типе сенсорной панели, параметрах
коммутации и электропитания
109
Таблица 5.1 ─ Общие технические характеристики сенсорной панели Simatic TP177 micro
№
Параметр
1
Дисплей
3
Значение параметра
Размер: 5.7"
Цвет: 4 уровня синего
Разрешение графической
320 х 240 точек
матрицы
4
Управление
6
Память программ
7
Интерфейсы
8
Среда разработки
микропрограммы
9
Напряжение питания
Тип: сенсорный дисплей
Сенсор: резистивный аналоговый
256кБайт
1 х RS-485 (PPI/MPI) max. 187.5kbps
WinCC flexible micro (WinCC flexible Advanced)
Номинальное: 24В постоянного тока
Вариация: 20.4В – 28.8В
5.2 Особенности программирования. Применение WinCC Flexible
Как указано в таблице 5.1, приведённой выше, для создания микропрограммы,
реализующей интерфейс оператора на сенсорной панели Simatic TP177 micro,
необходима специальная среда разработки – WinCC flexible micro. Данная среда
ориентирована специально для работы с сенсорными панелями TP177 micro. Другие
устройства в ней не поддерживаются. Если говорить о расширенных версиях WinCC
flexible (базовая) и WinCC flexible Advanced, то они имеют в своём состав поддержку
программирования рассматриваемых здесь сенсорных панелей. В связи с этим
приведённые далее примеры и рисунки сделаны в среде WinCC flexible Advanced.
Однако, никаких различий на этапе разработки программы (интерфейса) с версией
micro не существует.
При запуске WinCC flexible Advanced появляется основное окно программы с
мастером, позволяющим выбрать ранее редактируемый проект, либо создать новый.
Внешний вид данного окна показан на рисунке 5.3. На рисунке красным цветом
110
подчёркнуты варианты вызова мастеров по созданию нового проекта, а зелёным –
мастера по открытию существующих проектов.
Рисунок 5.3 ─ Основное окно программы WinCC flexible Advanced с мастером выбора проекта
Так, существует возможность создать проект по шаблону с помощью мастера
проектов «Create a new project with the Project Wizard», однако для учебных целей
настоятельно рекомендуется создавать пустые проекты (мастер «Create empty
project», либо кнопка быстрого запуска вверху), наполнением которых будет
заниматься сам пользователь. Отсутствие лишних компонентов позволят изучать
только те элементы, которые необходимы, что сделает работу программы, реализующей интерфейс оператора предсказуемой и позволит быстро определять и
локализовать ошибки.
111
При выборе «Create empty project» мастер создания нового проекта выводит
окно выбора устройства, для которого предназначен проект (см. рисунок 5.4).
Рисунок 5.4 ─ Окно выбора устройства ЧМИ, для которого создаётся проект
В случае использования WinCC flexible micro в окне выбора будет представлено
только одно устройство – сенсорная панель Simatic TP177 micro.
Для продолжения работы в списке устройств необходимо выбрать «TP 177
micro» (при использовании WinCC flexible Advanced запись данного устройства находится по следующему пути: «/Micro Panels/170/ »), а также указать версию микропрограммы данного устройства (по умолчанию выбирается максимальная). Версию
микропрограммы можно определить сразу же после включения электропитания, когда
начинается загрузка. После выбора устройства и версии микропрограммы по нажатию
на кнопку «OK» мастер создаёт проект и переходит в режим работы с данным
проектом, внешний вид которого показан на рисунке 5.5 (элемент «Button» был
112
установлен позже; исходный проект является пустым и не содержит ни одного
элемента).
Рисунок 5.5 ─ Режим работы с проектом в WinCC flexible
Как и в случае со Step 7 Micro/WIN, рабочее пространство пользователя
разделено на определённые зоны (окна-вкладки), позволяющие эффективно работать
с проектом как на уровне конфигурации, так и на уровне работы с дизайном. Так,
можно выделить три основные зоны работы с проектом:
•
Дерево проекта – окно-вкладка со всеми данными, касающимися проекта. По
умолчанию располагает в левой части рабочей области;
•
Наборы инструментов и библиотеки элементов – окно-вкладка, в которой
113
приводятся списки всех элементов для создания требуемого человекомашинного интерфейса на базе данной сенсорной панели. По умолчанию
располагается в правой части рабочей области;
•
Область редактирования – окно, в котором предоставляется возможность
редактирования внешнего вида графического интерфейса оператора, редактирования таблицы связей с устройствами управления (обычно в качестве таких
устройств выступают ПЛК), редактирования таблицы тэгов и т. д. По умолчанию для данного окна отводится вся центральная часть рабочей области.
Кроме этого в центральной части рабочей зоны может отображаться окно с
параметрами выделенного элемента, как показано на рисунке 5.5, а также окно вывода
технической информации об ошибках при компиляции и т. п.
Так как дерево проекта содержит все необходимые данные о проекте, рассмотрим,
какие элементы составляют его содержание. В дереве проекта выделяются следующие
главные элементы:
•
Записи
устройств,
с
которыми
производится
работа.
В отличие от Step 7 Micro/WIN в данном проекте может быть использовано
сразу несколько устройств человеко-машинного интерфейса. Для каждого
устройства создаётся своя запись-ветвь.
•
«Language Settings» – языковые настройки.
•
«Structures» – определение структур данных.
•
«Version Management» – управление версиями проекта.
Три последних ветви являются глобальными и применяются для всего проекта в
целом. Первый же тип записи характеризует конкретное устройство, для которого
создаётся программа. Поэтому в начале кратко охарактеризуем именно глобальные
параметры.
114
Языковые настройки – «Language Settings»
В данной ветви проекта рассматриваются параметры проекта, связанные с
языковой поддержкой. То есть определение языков, с которыми ведётся работа в
проекте и которые могут быть использованы для создания многоязычного интерфейса
оператора. Элементами данной ветви являются (см. также рисунок 5.6):
•
«Project Languages» – языковой редактор проекта.
•
«Graphics»
–
редактор
стандартных
графических
объектов
(кнопок),
позволяющий создать соответствие стандартных действий для различных
языков, поддержка которых включена в проекте;
•
«Project Texts» – редактор стандартных текстовых записей, позволяющий
сделать соответствие между текстовыми записями, сделанными на разных
языка.
•
«Dictionaries» – подветвь, в которой представлены словари.
Рисунок 5.6 ─ Элементы ветви
языковых настроек в дереве проекта
115
Языковой редактор проекта «Project Languages»
При вызове данного редактора появляется окно с выбором языков, которые будут
использоваться в системе. Вид данного редактора показана на рисунке 5.7.
Рисунок 5.7 ─ Языковой редактор, позволяющий выбрать рабочие языки проекта
По умолчанию выбран только английский язык (США). Дополнительные языки
включаются установкой отметок около соответствующих записей. На данном рисунке
выбран русский язык. В данном окне определены два дополнительных поля выбора
(среди отмеченных языков):
•
«Editing language» – редактируемый язык.
После выбора языка в данном поле все текстовые надписи установленных и
новых элементов будут редактироваться для выбранного языка.
•
«Reference language» – базовый язык.
Начальный язык системы при её запуске и загрузке.
116
Редактор стандартных графических объектов «Graphics»
После включения необходимых языков в системе появляется возможность изменения
стандартных графических элементов. А именно устанавливается соответствие для
каждого языка. По умолчанию делаются копии с элементов, соответствующих
базовому языку.
Редактор стандартных текстовых записей «Project Texts»
Данный редактор аналогичен по своему функциональному назначению на редактор
стандартных графических объектов за исключением того, что в качестве таких
объектов выступают текстовые записи.
Словари «Dictionaries»
В данной подветви указываются словари пользователя, а также системный словарь.
Словари пользователя содержат записи соответствий (переводов) между языками,
которые не являются частью системного словаря и добавлены пользователем
отдельно.
Стоит отдельно отметить, что для предоставления оператору возможности
переключения
языков
необходимо
помимо
добавления
языков,
установки
соответствий и редактирования записей на указанных языках, сделать данные языки
активными в языковой конфигурации конкретного устройства. Более подробнее об
этом будет рассказано далее.
Структуры данных – «Structures»
Данный раздел дерева проекта позволяет создавать комплексные типы данных в
проекте для последующей связи их с подобными типами данных, созданными на
ПЛК. Либо использовать как внутренние переменные. При создании новой структуры
117
вызывается таблица, в которую заносятся все необходимые компоненты данной
структуры. Дополнительно определяется, имеет ли данная структура совместимость
(связь) со структурами данных на ПЛК. Отметим, что контроллеры серии S7-200 не
имеют возможности работы со структурами данных, создаваемыми пользователем.
Данная ситуация показана в примере по созданию структуры «Climat_Param»,
приведённом на рисунке 5.8.
Рисунок 5.8 ─ Создание сложной структуры данных с указанием совместимости с ПЛК
В случае, когда выбирается тип «Internal structure», для элементов изменяются типы
данных (на совместимы), которые используются в системе ЧМИ. В указанном
примере тип данных Float является внутренним. При переключении на совместимость с ПЛК, данный тип будет преобразован в Real.
Управление версиями – «Version Management»
В данном разделе производится настройка контроля версий проекта. В случае
создания малых проектов, реализующих небольшой функциональный объём, необходимость в контроле версий не велика. Однако при создании больших проектов с
предусмотренной возможностью их обновления (например, устранение ошибок,
добавления новых функций и т. п.) контроль версий крайне необходим.
118
Разделы устройств
Проект в системе WinCC flexible может содержать данные о микропрограммах,
реализующих человеко-машинный интерфейс, сразу же для нескольких различных
устройств. Для каждого устройства формируется отдельный элемент дерева, для
которого указывается название, выбираемое пользователем или генерируемое автоматически, а также тип устройства, указываемый в скобках. Пример проекта с сенсорной панелью TP177 micro, из которого видна общая классификация данных об ЧМИ,
приведён на рисунке 5.9.
Рисунок 5.9 ─ Общая классификация
данных, описывающих человекомашинный интерфейс для
используемого устройства
Каждое устройство, на базе которого создаётся система ЧМИ, характеризуется
следующими данными:
•
«Screens» – графический интерфейс пользователя с использованием множества
переключаемых экранов, содержащих активные и пассивные элементы;
•
«Communications» – информация о связи с источниками данных (ПЛК, OPCСерверы, …), определение рабочих переменных (Тэгов), а также циклов
опроса;
•
«Alarm Management» – определение состояний «тревога» и управление ими;
119
•
«Text and Graphics Lists» – создание текстовых списков, а также списков с
графическими объектами;
•
«Runtime User Administration» – определение пользователей и условий их
доступа к системе;
•
«Device Settings» – некоторые параметры работы самого устройства.
Рассмотрим подробнее содержание данных ветвей, а также укажем возможности
сенсорной панели Simatic TP177 micro по реализации тех или иных функций.
Экраны – «Screens»
В данной ветви локализована вся информация о графическом представлении, которое
видит оператор при работе с системой человеко-машинного интерфейса. По
умолчанию при создании проекта и добавлении устройства в проект здесь содержится
мастер по созданию новых экранов, шаблонный экран, а также первый экран. При
выборе экрана (или шаблона) он показывается пользователю и становится активным
для редактирования. Пример такого представления показан на рисунке 5.10.
Рисунок 5.10 ─ Управление графическими экранами устройства ЧМИ
120
Согласно документации, проект для сенсорной панели TP177 micro может содержать
до 255 экранов [10, с.16].
Помимо содержимого полей дерева проекта и рабочего поля, на рисунке 5.10
также представлено окно, в котором приводятся свойства выбранного элемента. В
данном случае это экран Screen_1. Каждый экран имеет следующие свойства, которые
могут быть изменены:
•
«General» – общие свойства экрана, как элемента системы
◦ «Name» – Имя экрана;
◦ «Number» – Рабочий номер экрана;
◦ «Use template» – указание на использование шаблона;
◦ «Background Color» – цвет фона;
•
«Properties» – частные свойства, которые относятся к экрану (см. рисунок 5.11)
◦ «Layers» – слои экрана.
В данном случае выбираются слои, которые составляют экран и выбирается
активный слой («Active Layer»);
◦ «Infotext» – информационный текст об экране;
•
«Animations» – свойства, связанные с изменчивостью экрана (см. рисунок 5.12)
◦ «Visibility» – видимость экрана№
Данное свойство, в случае установки маркера «Enabled», позволяет
определить зависимость появления (видимости) данного экрана от какойлибо переменной.
•
«Events» – описание реакции на события, связанные с экраном (см. рисунок
5.13)
◦ «Loaded» – событие загрузки экрана (экран загружен);
В данном случае определяются действия (функции), которые выполняются
121
после загрузки экрана;
◦ «Cleared» – событие очистки экрана (экран очищен);
Определение действий (функций), которые выполняются после очистки
экрана;
Рисунок 5.11 ─ Частные свойства экрана (Слои)
Рисунок 5.12 ─ Задание режима видимости экрана
122
Рисунок 5.13 ─ Определение реакции системы на определённые события
В случае рассмотрения свойств шаблонного экрана «Template» (см. рисунок 5.10)
будут доступны для редактирования следующие свойства:
•
«General» – общие свойства шаблона
◦ «Tab order of template and screen» – выбор порядка вывода экранов и
шаблона: 1) «Template before screen» – шаблон находится перед экраном (по
умолчанию); 2) «Screen before template» – экран находится перед шаблоном;
◦ «Background Color» – цвет фона;
•
«Properties» – частные свойства шаблона (также, как и у экрана; см. рисунок
5.11).
Коммуникации – «Communication»
Элементы
дерева
проекта,
соответствующие
ветви,
характеризующей
коммуникацию с источниками данных, представлены на рисунке 5.14
123
Рисунок 5.14 ─ Элементы дерева
проекта, характеризующие связь с
источниками данных
В данной ветви размещается следующая информация:
•
«Tags» – таблица переменных (тэгов), с которыми производится работа в
системе WinCC flexible;
•
«Connections» – таблица связей с источниками данных;
•
«Cycles» – таблица циклов опроса.
Первоначально рассмотрим содержание таблицы существующих циклов опроса и
создадим в качестве примера собственный цикл.
Таблица циклов – «Cycles»
Внешний вид таблицы циклов представлен на рисунке 5.15.
124
Рисунок 5.15 ─ Таблица редактирования циклов опроса переменных
Необходимость существования такой таблицы продиктовано условиями работы
системы в режиме реального времени. Так как система ЧМИ и источники данных
(устройства-партнёры) являются цифровыми, то производится дискретизация времени
опроса состояния переменных. Учитывая ограниченные ресурсы ПЛК, а также
промышленной сети, по которой производится передача данных, существует минимальное время цикла. Для устройств Siemens Simatic это время равно 100мс.
Соответственно, любое другое время цикла будет кратно данному времени. Как видно
на рисунке, по умолчанию в проекте существуют системные циклы, которые в
большинстве случаев удовлетворяют необходимым условиям при разработке системы
ЧМИ. Чтобы продемонстрировать работу с этой таблице был создан новый цикл
времени «My_Cycle», период которого равен 300мс.
Таблица связей – «Communications»
Пример таблицы связей с созданным соединением с контроллером Simatic S7-200
показан на рисунке 5.16.
125
Рисунок 5.16 ─ Создание связи между устройством ЧМИ и ПЛК, являющемся источником
(приёмником) данных
Как видно из рисунка, в начале необходимо определить имя соединения
(колонка «Name») и тип устройства, с которым будет осуществляться связь (колонка
«Communication driver»). В случае использования сенсорной панели Simatic TP177
micro в качестве устройства может быть выбран только «Simatic S7 200», как показано
на рисунке. Для того, чтобы соединение было активным, необходимо установить
значение «On» в колонке «Online». Теперь перейдём к параметрам самого соединения
и кратко охарактеризуем их. Все параметры соединения условно делятся на три части:
•
«HMI device» – параметры устройства человеко-машинного интерфейса
◦ «Type» (TTY, RS232, RS422, RS485, Simatic) – тип интерфейса, через
который производится обмен данными (в случае TP177 micro возможен
вариант только с Simatic-интерфейсом);
◦ «Baud rate» – скорость передачи данных;
◦ «Address» – адрес устройства в сети MPI (число от 1 до 31 при стандартном
диапазоне);
126
◦ «Only master on the bus» – маркер указывает о том, что устройство является
только ведущим на шине;
•
«Network» – параметры сети
◦ «Profile» (MPI, PPI) – тип сети (сетевого протокола и интерфейса). По
умолчанию выбирается MPI;
◦ «Highest station address» – определение максимального адреса в сети (по
умолчанию устанавливается стандартный диапазон – 31);
◦ «Number of masters» – количество ведущих устройств на шине;
•
«PLC device» – параметры ПЛК
◦ «Address» – адрес ПЛК в сети;
◦ «Expansion slot» – слот расширения (по умолчанию 0; используется в
случае применения коммуникационных модулей);
◦ «Rack» – номер стойки (по умолчанию 0);
◦ «Cyclic operation» – маркер циклической работы (по умолчанию
установлен).
Согласно документации, проект для сенсорной панели TP177 micro может содержать
подключение только к одному устройству Simatic S7-200 [10, с.16]. В случае добавления второго устройства в программе будет выводиться сообщение об ошибке.
Таблица тэгов – «Tags»
Таблица тэгов содержит записи о переменных, которые связаны с определёнными
ячейками памяти, располагающихся в источнике данных. Пример таблицы тегов, в
котором показано задание свойств нового тэга показан на рисунках 5.17 – 5.19. На
рисунке 5.17 показан вариант выбора связи создаваемого тэга с источником данных.
127
Отметим, что устройства Simatic TP177 micro позволяют создавать внутренние
переменные – «Internal tag», которые не связаны ни с одним устройством и могут
свободно использоваться в системе при решении различных задач. В рассматриваемом же случае необходимо связать созданный тэг с ПЛК, для которого ранее
задали соединение Connection_1.
Рисунок 5.17 ─ Задание связи нового тэга с источником данных (ПЛК)
После определения, с каким устройством связан новый тэг, необходимо определить
его тип данных. Пример с возможными вариантами показан на рисунке 5.18.
128
Рисунок 5.18 ─ Задание типа данных для тэга
Отметим, что в случае выбора типа данных пользователю предлагается выбор среди
как типов данных, задаваемых форматами (например, целые или вещественные числа
со знаком – Int, Real), так и типов данных, определяемых размерами ячеек (Bool, Byte,
Word, DWord). Последние являются либо хранилищами данных, либо беззнаковыми
целыми типами.
После определения типа данных необходимо задать адрес по формату прямой
адресации, а также размер массива (в случае, если используется более одной такой
ячейки). В конце задаётся цикл опроса («Acquisition cycle»). Пример окончательного
варианта таблицы тэгов показан на рисунке 5.19.
Рисунок 5.19 ─ Отредактированный вариант таблицы тэгов
129
Отдельно отметим окно параметров, находящееся под таблицей тэгов (см. рисунок
5.17). Приведём список данных параметров:
•
«General» – общие
◦ «Name» – Имя тэга (также, как и в таблице);
◦ «Connection» – соединение (также, как и в таблице);
◦ «Data type» – тип данных (также, как и в таблице);
◦ «Acquisition mode» – режим опроса. Возможны следующие варианты
режимов: 1) «Cyclic on use» (по умолчанию) – циклическое по
использованию; 2) «Cyclic continuous» – циклическое непрерывное; 3) «On
demand» – по запросу;
◦ «Acquisition cycle» – цикл опроса (также, как и в таблице);
◦ «Array count» – длина массива (также, как и в таблице);
•
«Properties» – частные свойства
◦ «Addressing» – адресация (также, как и в таблице);
◦ «Limits» – задание пределов;
Возможность задания верхнего и нижнего пределов, при достижении
которых генерируется сигнал тревоги (alarm).
◦ «Linear Scaling» – линейное масштабирование;
Позволяет перейти к линейной шкале (чаще всего %) при известных
пределах.
◦ «Base Values» – основное значение;
Данный параметр позволяет задать стартовое значение тэга.
◦ «Comments» – комментарии;
◦ «Multiplexing» – мультиплексирование (переключения);
Включение данного режима позволяет связывать несколько тегов с
130
исходным на основе индексного тега, определяющего состояние
мультиплексора.
•
«Events» – события (в случае включения мультиплексирования данные
свойства становятся недоступными)
◦ «Change value» – изменение значения тэга;
◦ «High limit» – верхний предел;
◦ «Low limit» – нижний предел;
Менеджер тревог – «Alarm Manager»
Данная ветвь дерева проекта объединяет таблицы, в которых задаются события
тревоги (Alarm). События тревог связаны с тем, какие значения принимают те или
иные тэги. Поэтому они делятся на два типа: аналоговые и дискретные. Пример
таблицы аналоговых тревог показана на рисунке 5.20.
131
Рисунок 5.20 ─ Таблица задания тревог (Alarms) для аналоговых сигналов
Кратко рассмотрим содержание полей данной таблицы:
•
«Text» – комбинированное поле, в котором определяется, какой тип источника
данных (Tag или Text list), формат отображения (Binary, Decimal, Hexadecimal
или String), длина поля, а также сам тэг, с которым связан сигнал тревоги;
•
«Number» – уникальный номер сигнала тревоги;
•
«Class» – класс сигнала тревоги. Возможно выбрать один из существующих
классов: 1) Warning (Предупреждение); 2) Error (Ошибка);
•
«Trigger tag» – триггерный тэг.
•
«Limits» – пределы;
•
«Trigger mode» – режим срабатывания триггера. Для аналоговых тревог
возможен выбор либо возрастающего фронта («On rising edge»), либо
падающего фронта («On falling edge»).
Также, как и в случае таблицы тэгов, для каждого сигнала тревоги помимо табличных
характеристик существуют ещё некоторые, задаваемые в окне свойств объекта.
Подробное описание этих характеристик можно найти в документации [10].
132
Таблица задания дискретных тревог схожа с таблице задания аналоговых
тревог. Различие заключается в последней колонке таблицы. В случае аналоговой
тревоги колонка называлась «Trigger mode» и в ней определялся один из двух
возможных вариантов фронта сигнала. В случае дискретной тревоги последняя
колонка имеет название «Trigger bit» и задаёт номер разряда триггерного тэга
(должен быть формата Word или Int), по изменению которого происходит
срабатывание тревоги.
Ветвь «Settings» содержит следующую информацию:
•
«Alarm Settings» – общие и системные настройки для сигналов тревоги;
•
«Alarm Classes» – определение классов сигналов тревоги; Кроме стандартных
классов Warning и Error могут быть определены собственные классы;.
•
«Alarm Groups» – задаются группы сигналов тревоги.
Текстовые и графические списки – «Text and Graphics Lists»
В данной ветви дерева пользователь может задавать два списка. Первый список
хранит текстовую информацию, второй – информацию о графических объектах.
Пример таблицы для текстовых списков показан на рисунке 5.21.
133
Рисунок 5.21 ─ Таблица для работы с текстовыми списками
При создании текстового списка пользователь должен задать его имя, а также выбрать
необходимый диапазон в колонке «Selection». Далее необходимо определить записи
(колонка «Entry»), которые соответствуют числам из заданного диапазона (колонка
«Value»). В случае, если выбран вариант «Range(... – …)», то в колонке «Value»
задаётся интервал значений, соответствующих данной записи.
В случае работы с графическими списками работа происходит тем же образом,
что и с текстовыми списками. Исключение составляет колонка «Entry», в которой
теперь будут не строки, а графические объекты.
Работа с пользователями – «Runtime User Administration»
В
данной
ветви
дерева
содержатся
таблицы,
содержащие
информацию
о
пользователях и группах пользователей разрабатываемой системы ЧМИ. Пример
таблиц для групп и для пользователей показан на рисунках 5.22 и 5.23.
134
Рисунок 5.22 ─ Таблица для задания групп пользователей
По умолчанию определена одна группа пользователей – Administrators, в которую
входят пользователи с правами на возможность внесения системных изменений. Для
группы в таблице задаётся соответствие уровню работы с устройством (авторизация –
«Group authorizations»). В приведённом на рисунке 5.22 случае существуют две
групповых авторизации: 1) «Administration» – администрирование; 2) «Operate» –
работа.
135
Рисунок 5.23 ─ Таблица для работы с пользователями
В
таблице
пользователей
(см.
рисунок
5.23)
указывается
принадлежность
пользователя той или иной группе. В случае использования Simatic TP177 micro
накладываются ограничения: в системе может присутствовать только один
пользователь – Admin.
Параметры устройства – «Device Setting»
Данная ветвь дерева содержит информацию о параметрах самого устройства –
«Device Settings», варианты использования глобально определённого списка языков –
«Languages and Fonts», а также планировщик заданий – «Scheduler».
Учитывая, что каждое устройство ЧМИ может иметь различное число
параметров, приведём пример списка параметров, который доступен для просмотра и
изменений для Simatic TP177 micro. Внешний вид окна со списком параметров
показан на рисунке 5.24.
136
Рисунок 5.24 ─ Параметры для устройства ЧМИ Simatic TP177 micro
Так для Simatic TP177 micro могут быть определены следующие основные параметры:
•
«Name» – имя устройства (в проекте);
•
«Device type» – тип устройства и версия микропрограммы;
•
«Start screen» – начальный экран при загрузке системы;
•
«Bit selection in text and graphic lists» – указание на битовый тип для тестовых
и графических списков.
Для других типов ЧМИ устройств набор параметров может отличаться. Это будет
видно в одном из следующих разделов, где будет создаваться виртуальная панель
оператора.
В самом начале данного раздела рассматривались общие свойства проекта и
137
было указано о возможности использования нескольких языков, чтобы создать
многоязычную систему ЧМИ. Для того, чтобы определить, какие конкретно языки
будут использоваться для данного устройства, необходимо произвести редактирование таблицы «Languages and Fonts», внешний вид которой показан на рисунке
5.25.
Рисунок 5.25 ─ Определение рабочих языков человеко-машинного интерфейса для
устройства Simatic TP177 micro
Из рисунка видно, что языки можно включать и отключать для данного устройства, а
также указать их порядок при переключении. Кроме этого есть возможность задать
шрифт для каждого из языков индивидуально.
В системах ЧМИ, создаваемых в среде WinCC flexible, существует возможность
выполнения определённых задача при наступлении некоторых событий. Эта таблица
может быть отредактирована при переходе к элементу «Scheduler». Пример добавления новой задачи показан на рисунке 5.26. Задания могут быть связаны со
следующими событиями:
•
«Deactivated» – временная деактивация задания;
•
«Shutdown» – выключение;
•
«Change screen» – смена экрана;
138
•
«Overflow alarm buffer» – переполнения буфера сигналов тревоги;
•
«Change user» – смена пользователя.
Рисунок 5.26 ─ Редактирование таблицы планировщика заданий
5.3 Базовые элементы интерфейса оператора
В процессе создания системы человеко-машинного интерфейса пользователю
WinCC flexible предоставляется возможность использовать различные типовые
элементы интерфейса, которые располагаются в правой части под общим названием
«Tools» – инструменты (см. рисунок 5.5). Все инструменты классифицированы
следующим образом:
•
«Simple Objects» – простые объекты;
•
«Enhanced Objects» – расширенные объекты;
•
«Graphics» – графические объекты (изображения);
•
«Library» – объекты из дополнительных библиотек.
139
Рассмотрим каждый из этих типов подробнее.
Простые объекты – «Simple Objects»
Простые графические объекты:
•
«Line» – прямая линия (отрезок);
•
«Ellipse» – эллипс;
•
«Circle» – круг;
•
«Rectangle» – прямоугольник;
•
«TextField» – текстовое поле.
Для каждого из этих объектов определены частные свойства («Properties»), в которых
задаются такие параметры, как координаты, цвет, стиль линии и т. п., а также свойства
анимации («Animations»), позволяющие определить появление либо скрытие данного
элемента в зависимости от какого-либо тэга. Для текстового поля также определён
параметр «Text» («General»), в котором указывается выводимый на экран текст, и
параметры шрифта с возможностью мерцания.
Объект «IO Field»
Данный объект предназначен для организации связи некоторого текстового поля
ввода-вывода с источником данных (конкретным тэгом). Общие свойства данного
объекта показаны на рисунке 5.27.
140
Рисунок 5.27 ─ Общие свойства объекта «IO Field»
Опишем общие свойства данного объекта:
•
«Mode» – режим работы объекта на ввод-вывод.
Возможные варианты: 1) Input – поле работает только на ввод; 2) Output – поле
работает только на вывод данных (редактирование невозможно); 3) Input/Output
– поле работает как на ввод, так и на вывод данных (полная двунаправленная
синхронизация с тэгом).
•
«Tag» – тэг, с которым связывается данный объект;
•
«Format type» – формат представления данных.
Для поля можно установить один из следующих форматов: 1) Binary –
двоичное представление; 2) Date – представление в виде даты; 3) Date/Time –
представление в виде Дата/Время; 4) Decimal – десятичное представление; 5)
Hexadecimal – шестнадцатеричные представление; 6) String – текстовая строка;
7) Time – представление времени.
•
«Format pattern» – шаблон формата данных.
Среди частных свойств («Properties») можно выделить свойство «Security»,
позволяющее указать системе ЧМИ о том, что при работе с данным полем необходимо
пройти аутентификацию.
141
Объект «Date-Time Field»
Данный объект предназначен для работы с датой и временем. При этом есть
возможность использовать как встроенные в систему Simatic TP177 micro часы
реального времени, так и произвести связывание данного поля с тэгом.
Объект «Graphic IO Field»
Данный объект предназначен для работы с графическими данными. Особенностью
использования данного объекта является обязательное указание на используемый
список графических объектов («Graphics List»). Дополнительно отметим, что среди
возможных режимов работы появился новый – «Two states», который позволяет
определить два состояния для графических объектов (ON – включенный вариант и
OFF – выключенный вариант).
Объект «Symbolic IO Field»
Данный объект идентичен предыдущему за исключением того, что он работает с
текстовыми списками («Text List»).
Объект «Graphic View»
Данный объект предназначен для отображения графических элементов (изображения).
При этом изображения могут быть взяты как из внутренней библиотеки элементов,
так и загружены из файла (изображение должно быть в требуемом формате).
Объект «Button»
Данный объект представляет из себя кнопку, при нажатии на которую должны
производиться некоторые действия.
142
Основные свойства:
•
«Button mode» – режим кнопки.
Возможны следующие режимы работы: 1) «Text» – кнопка с текстовой
надписью; 2) «Graphic» – кнопка с изображением; 3) «Invisible» – невидимая
кнопка.
•
«Text» – надписи на кнопке.
В режиме «Text» определяются текстовые записи для состояний ON и OFF.
В режиме «Graphic» определяются графические объекты, соответствующие
состояниям ON и OFF.
Возможные события:
•
«Click» – краткое нажатие на кнопку;
•
«Press» – нажатие и удержание;
•
«Release» – снятие нажатия;
•
«Activate» – активация;
•
«Deactivate» – деактивация;
•
«Change» – изменение.
Объект «Switch»
Объект переключатель (Switch). Отличается от кнопки сохранением своего состояния
после включения-выключения. Также, как и кнопка, может иметь текстовую надпись
или изображение для каждого из состояний.
Объект «Bar»
Данный объект позволяет создать графическое представление величины для той или
иной переменной (тэга).
143
Общие свойства объекта:
•
«Maximum value» – максимальное значение;
Задаётся статически или связано с тэгом. Для Simatic TP177 micro доступен
только вариант статического значения.
•
«Process» – текущее значение;
Задаётся значением выбранного тэга.
•
«Minimum value» – минимальное значение.
Также, как и максимальное значение, может быть задано статически, либо
связано с тэгом. Для данной системы ЧМИ Simatic TP177 micro возможен
вариант только статического задания значения.
Расширенные объекты – «Enhanced Objects»
Объект «Trend View»
Данный объект предназначен для графического представления сигналов (трендов) во
времени.
Общие параметры («General»):
•
«Settings» – настройки элементов
◦ «Button bar style» – стиль кнопки;
◦ «Number of lines» – количество строк в таблице значений
◦ «Font» – шрифт;
•
«Elements» – элементы объекта «Trend View»
◦ «Display value table» – отображать таблицу значений;
◦ «Display ruler» – отображать линейку;
◦ «Display table grid» – отображать сетку в таблице значений.
144
Некоторые частные параметры («Properties»):
•
«X axis» – параметры оси X.
◦ «Mode» – указание режима работы по оси X.
Возможные варианты: 1) Time – по оси X отложен заданный интервал
времени; 2) Points – по оси X отложен заданный интервал временных точек
(количество отсчётов); 3) Tag/constant – режим, при котором задаются
начальное и конечное значение по оси X, а также количество точек.
◦ «New value from» – определить область появления новых значений;
Возможны варианты: 1) Right – новые значения появляются справа (график
движется влево); 2) Left – новые значения появляются слева (график
движется вправо).
◦ «Axis begin» и «Axis end» – задают начальное и конечное значение для оси.
Данные поля активны для редактирования только в режиме Tag/constant.
◦ «Time interval (sec.)» – интервал времени для оси X.
Данное поле активно для редактирования только в режиме Time.
◦ «Number of points» – количество точек на оси X.
Данное поле активно для редактирования в режимах Points и Tag/constant.
•
«Left Value Axis» – параметры левой части графика (ось Y)
◦ «Display scale» и «Display label» – вывод информации о масштабе и о
предельных значениях для оси Y.
◦ «Auto range» – маркер для автоматической подстройки масштаба по оси Y;
◦ «Axis begin» и «Axis end» – начальное и конечное значение по оси Y;
•
«Right Value Axis» – параметры правой части графика.
Те же параметры, что и для «Left Value Axis».
•
«Axis» – параметры осей;
145
Задаются параметры представления шкал по осям X и Y;
•
«Trend» – задание источников сигналов.
В таблице указываются все сигналы, которые будут выводиться на графике.
Таблица имеет следующие колонки:
◦ «Name» – имя сигнала (тренда);
◦ «Display» – форма представления сигнала на графике.
Может быть задан один из следующих вариантов: 1) Bars – прямоугольники;
2) Dots – точки; 3) Lines – линии (по умолчанию); 4) Steps – шагами;
◦ «Line type» – тип линии (при использовании варианта Lines).
Может быть два варианта: 1) Solid – непрерываня; 2) Dash – пунктирная.
◦ «Bar width (%)» – ширина прямоугольника (для режима Bar)
◦ «Samples» – количество отсчётов сигнала, которое будет храниться в буфере;
Максимальное значение – 999 отсчётов.
◦ «Display limit lines» – отображение предельных линий;
◦ «Trent type» – тип тренда.
В данном случае указывается вариант «Realtme cyclic triggered», что
означает работу в режиме реального времени с циклическим обновлением
значения тэга.
◦ «Source settings» – параметры источника
При выборе данного поля появляется дополнительное окно, в котором
пользователю предлагается выбрать тэг, а также указать величину периода
дискретизации – «Pulse». Ранее было сказано, что величина (период) цикла в
системе не может быть менее 100мс. Поэтому период дискретизации должен
быть кратен 0.1секунды.
Согласно документации [10], для устройства Simatic TP177 micro можно задать до
четырёх трендов на один объект «Trend View».
146
Объект «Alarm View»
Данный объект предназначен для отображение информации о сигналах тревоги.
Общие параметры («General»):
•
«Display» – отображение информации (в зависимости от выбора) о:
◦ «Alarms» – сигналы тревоги
◦ «Alarm events» – события, вызывающие сигналы тревоги
•
«Alarm classes» – выбор классов отображаемых сигналов тревоги.
Более подробная информация обо всех объектах, а также о характеристиках самого
устройства ЧМИ Simatic TP177 micro может быть найдена в соответствующей
документации [10], [11], [12], [13].
5.4 Контрольные вопросы
1. Что такое системы человеко-машинного интерфейса и зачем они необходимы?
2. Дайте общую характеристику проекта в системе WinCC flexible.
3. Что такое экраны («screen»)?
4. Каким образом производится установка связи с источниками данных?
5. Что такое тэги?
6. Какими характеристиками обладает тэг?
7. Что такое циклы? Каким образом они связаны с тэгами?
8. Дайте общую характеристику сигналов тревоги (alarm).
9. Что такое текстовые и графические списки?
147
10. Дайте характеристику и приведите описание параметров поля ввода-вывода (IO
Field).
11. Дайте характеристику и приведите описание параметров элемента «кнопка»
(Button).
12. Дайте характеристику и приведите описание параметров элемента «Trend
View».
148
6 ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ. ЧАСТЬ I
6.1 Лабораторная работа №1. Вычислительные системы на базе ПЛК
Siemens Simatic S7-200
Цель работы:
Целью работы является ознакомление с командами стандартной библиотеки пакета
STEP7, получения навыков программирования ПЛК и разработки пользовательского
интерфейса.
Задача:
В рамках лабораторной работы требуется разработать вычислительную систему на
базе ПЛК Siemens Simatic S7-200 в качестве вычислителя и Siemens Simatic HMI
Touch Panel в качестве интерфейса пользователя. Система должна удовлетворять
следующим требованиям:
•
реализация бинарных операций для вещественных чисел: сложение,
вычитание, умножение, деление;
•
вычисление тригонометрических функций (по выбору преподавателя);
•
вычисление специализированной функции (не представленной существующей
инструкцией STEP7);
•
реализация операций чтения и записи в память системы (занесение результатов
в память; считывание из памяти и использование в дальнейших вычислениях;
обнуление памяти);
•
отображение результата вычисления по нажатию кнопки «равно»;
•
интерфейс пользователя содержит поля для ввода операндов и отображения
результатов вычислений;
149
•
возможность завершения программы из интерфейса пользователя.
Этапы выполнения работы:
1. Определить компоненты и структуру разрабатываемой вычислительной
системы.
2. Определить функции, выполняемые каждым компонентом системы.
3. Согласно структурной схеме и набору функций разработать обобщённый
алгоритм (функциональную схему) работы системы.
4. В соответствии с обобщённым алгоритмом и набором функций составить эскиз
интерфейса оператора (ЧМИ).
5. Составить список переменных, которые будут использоваться в системе ЧМИ.
6. Составить блок-схему алгоритма программы (с учёном особенностей
функционирования ПЛК).
7. Составить таблицу соответствия ячеек памяти ПЛК полному списку
переменных.
8. Составить программу для ПЛК, а также проект для системы ЧМИ.
9. Произвести тестирование работы системы. Определить ошибки/недостатки,
внести изменения в алгоритм, программу (интерфейс) и повторить этап.
Используемое аппаратное обеспечение:
•
PLC Siemens Simatic S7-200 CPU 224XP (6ES7 214-2AD23-0XB0);
•
Siemens Simatic HMI Touch Panel TP177 micro;
•
Siemens USB-PPI Multi-Master Cable;
•
Персональный компьютер с USB-портом.
150
Используемое программное обеспечение:
•
Siemens STEP7-Micro/Win;
•
Siemens Simatic WinCC Flexible 2007 micro (Advanced).
Используемая документация:
•
Simatic Программируемый контроллер S7-200. Системное руководство.
Издание 06/2004;
•
WinCC flexible 2004 Micro. Руководство пользователя, редакция 03/2004;
•
Simatic. Компоненты систем комплексной автоматизации. Каталог ST70-2007;
•
Материалы лекций по курсу «Современная промышленная электроника».
6.2 Лабораторная работа №2. Измерение, преобразование и графическое
представление цифровых и аналоговых сигналов в промышленных
системах
Цель работы:
Целью работы является изучение параметров и особенностей использования аналоговых и цифровых входов и выходов ПЛК Siemens Simatic S7-200 при подключении
датчиков и исполнительных устройств, а также изучение возможностей индикации
сигналов на сенсорной панели управления Siemens Simatic TouchPanel в графической
форме.
151
Задача:
Используя ПЛК Simatic S7-200 и сенсорную панель Simatic Touch Panel разработать
систему, которая позволяет управлять двигателем постоянного тока и обеспечивает
измерение физической величины. Разрабатываемая система должна удовлетворять
следующим требованиям:
•
в качестве источников входных аналоговых сигналов могут использоваться
датчики физических величин (температуры, давления, освещённости и т. п.) с
аналоговым выходом;
•
в качестве источника сигнала для цифрового входа может быть использован
датчик с дискретным выходом (например, датчик расхода);
•
управление аналоговым исполнительным устройством осуществляется в двух
возможных режимах: 1) режим задания оператором фиксированного значения
управляемого параметра; 2) режим линейной зависимости от сигнала датчика;
•
в режиме фиксированного задания оператор задаёт уровень выходного сигнала
по шкале 0 – 100 с точностью 0.1;
•
в режиме линейной зависимости оператор должен иметь возможность задания
параметров смещения и усиления;
•
интерфейс пользователя предусматривает отображение измеряемых и
задаваемых аналоговых сигналов в графической и числовой форме. Для
графического отображения используется элемент TrendView;
•
возможность управления цифровыми выходами из пользовательского
интерфейса;
•
индикация состояния цифровых входов на сенсорной панели управления;
•
возможность завершения программы из интерфейса пользователя.
152
Этапы выполнения работы:
1. Определить компоненты и структуру разрабатываемой системы. Дать
обоснование предложенной структуре.
2. Изучить характеристики каналов ввода-вывода устройств, которые будут
использоваться для измерения физических характеристик и управления;
3. Изучить характеристики предполагаемых датчиков и исполнительных
устройств;
4. Определить функции, выполняемые каждым компонентом системы.
5. Составить при необходимости схемы подключения устройств.
6. Согласно структурной схеме и набору функций разработать обобщённый
алгоритм (функциональную схему) работы системы.
7. В соответствии с обобщённым алгоритмом и набором функций составить эскиз
интерфейса оператора (ЧМИ).
8. Составить список переменных, которые будут использоваться в системе ЧМИ.
9. Составить блок-схему алгоритма программы (с учёном особенностей
функционирования ПЛК).
10. Составить таблицу соответствия ячеек памяти ПЛК полному списку
переменных.
11. Составить программу для ПЛК, а также проект для системы ЧМИ.
12. Произвести тестирование работы системы. Определить ошибки/недостатки,
внести изменения в алгоритм, программу (интерфейс) и повторить этап.
Используемое аппаратное обеспечение:
•
PLC Siemens Simatic S7-200 CPU 224XP (6ES7 214-2AD23-0XB0);
•
Siemens Simatic HMI Touch Panel TP177micro;
153
•
Siemens USB-PPI Multi-Master Cable;
•
источники измеряемых аналоговых (датчики физических величин) и цифровых
сигналов;
•
приёмники выходных аналоговых и цифровых сигналов (исполнительные
устройства);
•
Персональный компьютер с USB-портом.
Используемое программное обеспечение:
•
Siemens STEP7-Micro/Win;
•
Siemens Simatic WinCC Flexible 2007 micro (Advanced).
Используемая документация:
•
Simatic Программируемый контроллер S7-200. Системное руководство.
Издание 06/2004;
•
WinCC flexible 2004 Micro. Руководство пользователя, редакция 03/2004;
•
Simatic. Компоненты систем комплексной автоматизации. Каталог ST70-2007
•
Материалы лекций по курсу «Современная промышленная электроника».
154
7 УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПРИВОДАМИ
НА БАЗЕ MICROMASTER
7.1 Общие сведения о системе управления асинхронными и синхронными
электрическими машинами Micromaster 440
Ранее в разделе 4.3.1 был рассмотрен пример с подключением к ПЛК S7-200
двигателя постоянного тока малой мощности. Для электродвигателей большей
мощности, а также, возможно, другого типа, понадобятся уже специальные устройства, позволяющие преобразовать управляющий сигнал в требуемую величину,
например, скорость вращения вала или момент на валу. Одним из таких устройств
является система Micromaster (в рассматриваемом случае это Micromaster 440),
которая позволяет управлять двигателями постоянного тока, а также асинхронными
двигателями. Часто такие системы называют частотными преобразователями. Однако
функции, которые могут быть выполнены Micromaster-ом, выходят за рамки обычного
частотного преобразователя. Поэтому в дальнейшем будет называть его просто
«преобразователем».
Дадим общую характеристику для Micromaster 440 согласно документации [14].
Внешний вид преобразователя с базовой панелью оператора (BOP) показан на
рисунке 7.1. Преобразователь Micromaster 440 позволяет управлять электрическими
двигателями следующих типов:
•
синхронные электрические двигатели (двигатели постоянного тока);
•
асинхронные электрические двигатели (двигатели переменного тока)
◦ подключение двигателей по конфигурации звезды;
◦ подключение двигателей по конфигурации треугольника;
Преобразователь может быть подключен как к трёхфазной электрической сети (с
155
изолированной нейтралью или без неё), а также к однофазной электрической сети.
Рисунок 7.1 ─ Внешний вид
преобразователя Micromaster
440 (размер A)
Для реализации возможностей внешнего управления (подведения управляющего
сигнала) преобразователь имеет в своём составе:
•
дискретные изолированные входы с логическим уровнем +24В – 6шт
•
аналоговые входы с диапазоном 0 – 10В – 2шт. Данные аналоговые входы могут
быть использованы в качестве дискретных входов.
Кроме этого преобразователь может быть снабжён базовой панелью оператора (BOP),
расширенной панелью оператора (AOP), либо модулем передачи данных по сети
PROFIBUS. Базовая и расширенная панели операторов позволяют производить
непосредственную конфигурацию преобразователя, задавать режимы работы и
производить мониторинг параметров. На рисунке 7.1 показан внешний вид преобразователя с базовой панелью оператора. Варианты панелей показаны на рисунках 7.2, 7.3
и 7.4 [14, с.29].
156
Рисунок 7.2 ─ Панель
индикации
Рисунок 7.3 ─ Базовая
панель оператора
Рисунок 7.4 ─ Расширенная
панель оператора
В дальнейшей работа настройка преобразователя будет производиться с
использованием базовой панели оператора (BOP). Поэтому рассмотрим функциональное назначение показанных на рисунке кнопок, а также опишем варианты
выводимых надписей.
Таблица 7.1 ─ Функциональное назначение клавиш для панелей оператора
Клавиша
Зелёная кнопка с
цифрой 1
Красная кнопка с
цифрой 0
Двусторонняя
стрелка /\
Функция
Описание
Запуск двигателя
При нажатии клавиши преобразователь
запускается и подаёт напряжение на
двигатель. Клавиша по умолчанию
пассивна. Используется в режиме задания
команд управления с операторской панели
(P0700=1).
Останов двигателя
При нажатии клавиши преобразователь
останавливает электродвигатель.
Варианты нажатия:
1) Одинарное – остановка по выбранному
шаблону скорости;
2) Двойное (длительное) – свободная
остановка двигателя.
Клавиша включается в режиме P0700=1.
Реверс двигателя
Изменение направления вращения
двигателя на противоположное. Клавиша
включается в режиме P0700=1.
157
Клавиша
Функция
Описание
Толчковый режим
Используется для запуска остановленного
двигателя с частотой JOG. Работа
двигателя происходит только при нажатой
кнопке. При отпускании преобразователь
останавливает двигатель.
Fn
Функции
Нажатие клавиши с удержанием в 2
секунды приводит к отображению
дополнительной информации: 1)
напряжение звена постоянного тока (d); 2)
выходной ток; 3) выходная частота; 4)
выходное напряжение; 5) величину,
выбранную в P0005.
Повторное нажатие на клавишу
возвращает текущие показания дисплея.
P
Доступ к параметрам
jog
При нажатии обеспечивается доступ к
параметрам системы.
Увеличивает отображаемое значение.
Чтобы происходило увеличение частоты
вращения, необходимо установить
параметр P1000=1.
▲
Увеличить значение
▼
Уменьшает отображаемое значение. Чтобы
происходило уменьшение частоты
Уменьшить значение
вращения, необходимо установить
параметр P1000=1.
Подробные инструкции по первому запуску преобразователя, использованию
клавиш для изменения параметров и мониторинга тех или иных величин приведены в
документации [14].
7.2 Подключение Micromaster 440 к программируемым логическим
контроллерам S7-200/300
Подключение преобразователя Micromaster 440 (размер А) к двигателю и к
электрической сети производится через силовые клеммы (см. рисунок 7.5), располо-
158
женные под панелью с сигнальными клеммами (см. рисунок 7.6).
Рисунок 7.5 ─ Силовые клеммы для
подключения преобразователя к
двигателю и к электрической сети
Рисунок 7.6 ─ Панель с сигнальными
клеммами, позволяющими подключить
преобразователь к внешним устройствам
Для обеспечения безопасности при выполнении лабораторных работ с данными
преобразователями в дальнейшем будем считать, что электродвигатель уже имеет
подключение по одному из возможных вариантов к силовым клеммам. Поэтому одной
из первых задач будем рассматривать задачу подключения внешнего устройства
управления (в нашем случае это ПЛК) к преобразователю. Вторая задача уже будет
состоять в установке параметров согласно имеющимся данным, требованиям к
алгоритмам управления и схеме подключения.
Рассмотрим общую блок-схему, позволяющую определить возможные варианты подключения ПЛК к преобразователю [14]. Данная блок-схема представлена на
рисунке 7.7.
159
Рисунок 7.7 ─ Блок-схема преобразователя Micromaster с
указанием назначения клемм
Согласно данным, приведённым на рисунке и в предыдущем подразделе, цифровые
выходы ПЛК могут быть подключены к цифровым входам DIN1 – DIN6 (номера
клемм: 5, 6, 7, 8, 16, 17). При этом клемма M группы цифровых выходов, которые
подключаются к преобразователю, должна быть подключена к клемме с номером 28
160
(изолированное напряжение 0В). Подключение дискретных входов преобразователя
позволит реализовать функции запуска-остановки, а также реверса двигателя. Для
плавного регулирования какой-либо величины (например, скорости вращения двигателя), необходимо использовать аналоговый вход преобразователя и, соответственно,
аналоговый выход ПЛК по напряжению (V). Блок-схема подключения преобразователя Micromaster 440 и ПЛК S7-200 CPU224XP приведена на рисунке 7.8.
AIN1- 2
M
V
AIN1+ 3
MICROMASTER 440
28
DIN1 5
DIN2 6
M
ПЛК S7-200
CPU 224XP
Q0.0
Q0.1
Рисунок 7.8 ─ Блок-схема подключения Micromaster 440 к CPU 224XP
На рисунке выше дискретные входы преобразователя подключаются к первым
двух цифровым выходам ПЛК. Очевидно, что для передачи сигналов на Micromaster
могут быть использованы и другие цифровые выходы. Тем более, что выходы Q0.0 и
Q0.1 могут быть сконфигурированы для решения других задач управления.
7.3 Настройка Micromaster 440 с внешним управлением
После подключения преобразователя к ПЛК необходимо произвести настройку,
чтобы обеспечить внешнее управление. Прежде, чем перейти к списку параметров,
которые необходимо изменить, рассмотрим способы управления электродвигателем
реализованы в преобразователе Micromaster 440 [14, с.42].
161
В рассматриваемом преобразователе реализованы следующие законы управления:
•
Линейное V/f-регулирование. Применяется для работы с динамическими и
статическими нагрузками.
•
Линейное V/f-регулирование с FCC (контролем потокосцепления).
Применяется для повышения к.п.д. и динамических характеристик
электропривода.
•
Квадратичное V/f-регулирование. Применяется для приводов с насосной и
вентиляторной характеристикой нагружения (малые моменты трогания).
•
Многоточечное V/f-регулирование.
•
Линейное V/f-регулирование с режимом ECO. Автоматическое изменение
напряжения для минимизации потерь мощности.
•
V/f-регулирование для применения в производстве текстиля. Отсутствие
компенсации и демпфирования. Регулятор максимального тока использует
частоту, а не напряжение.
•
V/f-регулирование с FCC для применения в производстве текстиля.
Комбинация предыдущего и второго параметров.
•
V/f-регулирование с независимой установкой напряжения. Возможность
задавать напряжение (параметром P1330) независимо от выходной частоты.
•
Безсенсорное векторное управление. Точное регулирование частоты
вращения без использования датчика скорости. Обеспечение высокого момента
и динамических свойств привода.
•
Безсенсорное векторное управление моментом. Векторное управление
моментом без использования датчика момента. Применяется в установках, где
требуется поддержание заданного момента на валу.
162
При создании системы управления приводом необходимо точно определить вариант
управления. По умолчанию используется линейное V/f-регулирование.
Блок-схема, в которой представлены шаги по настройке преобразователя для
осуществления быстрого ввода в эксплуатацию, приведена в [14, с.32]. Согласно
данной блок-схеме для задания управления необходимо отредактировать следующие
параметры:
•
P0700 – Выбор места команд управления:
◦ 0 – Заводская установка;
◦ 1 – Панель оператора;
◦ 2 – Дискретные входы
•
P1000 – выбор места задания частоты:
◦ 0 – Нет задания частоты;
◦ 1 – Панель оператора;
◦ 2 – Аналоговый вход;
•
P1080 – минимальная частота двигателя (0 – 650Гц);
•
P1082 – максимальная частота двигателя (0 – 650Гц);
•
P1120 – время разгона (0 – 650с);
•
P1121 – время торможения (0 – 650с).
Для более точной настройки параметров управления рекомендуется обратиться к
документации на преобразователь Micromaster 440 [14].
163
8 АППАРАТНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПЛК Siemens Simatic
S7-300 и S7-400
8.1 Аппаратные особенности Siemens Simatic S7-300
Как было указано в разделе 3, семейство ПЛК S7-300 представляет собой
модульные системы управления средней производительности. Основные элементы –
модули центральных процессоров (CPU) семейства – представлены несколькими
специализированными типами [15], [16]:
•
Simatic S7-300 – стандартный CPU для для построения систем управления
различной степени сложности;
•
Simatic S7-300C – Compact CPU со встроенными функциональными или
сигнальными модулями;
•
Simatic S7-300T – Technology CPU для построения распределённых систем
позиционирования и управления перемещением;
•
Simatic S7-300F – Failsafe CPU для построения систем противоаварийной
защиты. Обеспечивает работу промышленных устройств на шине PROFIBUS и
устройств промышленной безопасности (т. н. F-устройств: модулей цифрового
и аналогового ввода и вывода, силовых модулей, пускателей, частотных
преобразователей и др. с интегрированными функциями противоаварийной
защиты) с поддержкой профиля PROFIsafe в единой коммуникационной среде;
•
Siplus S7-300 – контроллеры семейства S7-300 для работы в более жёстких
климатических и производственных условиях.
Помимо
функциональных
особенностей
центральных
процессоров,
номенклатура S7-300 позволяет определить их коммуникационные возможности. По
164
умолчанию любой CPU S7-300 имеет встроенный интерфейс MPI. Ряд CPU имеет
второй встроенный интерфейс, о чём говорят следующие обозначения:
•
CPU31..-2 DP - второй встроенный интерфейс PROFIBUS DP (контроллер
может быть ведущим или ведомым устройством);
•
CPU31..-2 PtP - второй встроенный интерфейс для PtP-связи;
•
CPU31..-2 PN/DP - CPU оснащён интерфейсом Industrial Ethernet с поддержкой
профиля PROFINET. Порт MPI может быть сконфигурирован как порт
PROFIBUS DP;
В настоящее время практические занятия по курсу предполагают работу с ПЛК
двух разных подтипов: CPU315-2PN/DP (см. рисунок 8.1а) и CPU313C-2DP (см.
рисунок 8.1б). Рассмотрим органы управления, индикации и коммуникации CPU на
примере этих устройств. На фронтальной поверхности сверху расположены: слот для
MMC-карты; переключатель режимов работы; светодиодные индикаторы состояния.
Видно, что CPU313C-2DP (см. рисунок 8.1б), являясь специализированным
устройством, содержит встроенные модули цифровых входов и выходов, снабжённых
также светодиодной индикацией. В нижней части CPU под крышкой расположены
интерфейсные разъёмы MPI / PROFIBUS DP и PROFINET (в данном случае, только
рисунок 8.1а) и клеммы для подключения блока питания.
165
Рисунок 8.1 – Внешний вид CPU315F-2 PN/PD (а) и CPU313C-2 DP (б)
Слот для карты памяти ММС (Micro Memory Card) снабжён выталкивателем
(PUSH) для извлечения. Модуль сохраняет пользовательские данные при отключении
питания и отсутствии буферной батареи.
Назначение индикаторов состояния:
•
BF1 (Bus1 Failure) - ошибка первой встроенной шины (X1 - MPI / PROFIBUS);
•
BF2 (Bus2 Failure) - ошибка второй встроенной шины (X2 - PROFINET) - в
данном случае, только для CPU315-2PN/DP (см. рисунок 8.1а);
•
SF (System Failure) - общая ошибка: неисправность CPU или подключённых
модулей с возможностями диагностики;
•
DC5V - индикатор наличия внутреннего постоянного напряжения 5В;
•
FRCE - показывает, что как минимум один вход или выход находится в режиме
FORCE (ему присвоено фиксированное значение, которое не заменяется
программной пользователя);
166
•
RUN - мигает при запуске CPU, светится постоянно в рабочем режиме;
•
STOP
◦ горит постоянно в режиме останова;
◦ мигает с частотой 2 Гц, когда требуется сброс памяти; при установке карты
памяти;
◦ мигает с частотой 0,5 Гц при выполнении сброса памяти.
Переключатель режимов работы:
•
RUN - программа пользователя обрабатывается CPU, её изменения не
допустимы;
•
STOP - программа пользователя не обрабатывается;
•
MRES - Memory Reset (стирание памяти).
С помощью этого переключателя выполняется сброс оперативной памяти:
1. Установить переключатель в положение STOP
2. Удерживать переключатель в положении MRES, пока светодиод STOP не
мигнёт с частотой 0,5 Гц 2 раза. Отпустить переключатель, чтобы он вернулся в
положение STOP. Затем в течение одной секунды вернуть переключатель в
положение MRES, светодиод STOP начнёт мигать с частотой 2 Гц. Отпустить
переключатель, чтобы он вернулся в положение STOP.
3. Установить переключатель в положение RUN.
В результате пользовательская программа и все адресные области будут
очищены, системные параметры CPU и параметры модулей примут значения по
умолчанию,
существующие
соединения
будут
разорваны.
Параметры
MPI,
установленные до сброса, содержание диагностического буфера, значения таймеров и
счётчиков рабочего времени будут сохранены. Если EEPROM (карта памяти, или
167
встроенная энергонезависимая память) содержат данные, после перезапуска они будут
скопированы в оперативную память [16].
8.2 Подключаемые модули для ПЛК Siemens Simatic S7-300
В составе систем автоматизации на базе S7-300 возможно использование
различных модулей, которые крепятся на профильную шину (стойку) в определённом
порядке [16], [17]:
•
блоки питания (PS) - слот №1
при горизонтальной конфигурации должен располагаться на шине слева; при
горизонтальной конфигурации должен располагаться внизу стойки (слот №3)
•
центральный процессор (CPU) - слот № 2
должен располагаться сразу за блоком питания
•
интерфейсные модули (IM) - слот №3
необходимы для подключения стоек расширения к базовому блоку, позволяя
увеличить количество используемых модулей до 32 (общее количество стоек не
превышает 4); в случае использовании интерфейсного модуля, он должен
устанавливаться сразу после CPU
•
сигнальные модули (SM)
для ввода и вывода дискретных и аналоговых сигналов
•
функциональные модули (FM)
модули
со
встроенными
процессорами,
способные
выполнять
задачи
автоматического регулирования, счёта, управления перемещением, иногда даже
в случае остановки CPU
•
коммуникационные процессоры (CP)
168
модули
для
автономной
обработки
коммуникационных
данных
в
промышленных сетях: AS-Interface, PROFIBUS, Industrial Ethernet, Point-toPoint.
Таким образом, фиксированные посадочные места имеют модули PS, CPU, IM,
а остальные модули могут располагаться в произвольных слотах, начиная с №4.
Системы автоматизации S7-300 могут содержать до 8 модулей на одной стойке
(профильной шине) и до 4 стоек для CPU 314/ 315/ 316/ 318.
8.3 Аппаратные особенности Siemens Simatic S7-400
Как было указано в разделе 3, устройства S7-400 являются мощными ПЛК с
высокой скоростью обработки данных и широкими коммуникационными возможностями. На базе S7-400 разрабатываются системы управления среднего и верхнего
уровня [18], [19].
В
настоящее
время
существуют
следующие
варианты
центральных
процессоров S7-400 [20]:
•
Simatic S7-400 – стандартный модуль CPU S7-400;
•
Simatic S7-400F – Fail-safe CPU S7-400, имеющие поддержку встроенных
функций для реализации распределённых систем автоматики повышенной
безопасности;
•
Simatic S7-400H – High-availability CPU S7-400 с функциями резервирования
для обеспечения повышенной надёжности, отказоустойчивости, горячей
замены модулей.
Многие компоненты серии S7-400
также доступны в версии Siplus для экстре-
мальных условий эксплуатации.
169
Так же, как и для CPU S7-300, номенклатура S7-400 позволяет определить
наличие и тип сетевых интерфейсов у модификации. После типа CPU указывается
общее количество интерфейсов и при необходимости уточняется их тип. Интерфейсом, присутствующим в CPU по умолчанию, является MPI / PROFIBUS DP.
Например, маркировка Simatic S7-400 CPU 412-1 обозначает, что у CPU
семейства S7-400 модификации 412 присутствует один MPI / PROFIBUS DP порт.
Маркировка Simatic S7-400 CPU 414-3 PN/DP обозначает наличие у CPU 414 трёх
сетевых интерфейсов:
•
MPI / PROFIBUS DP (по умолчанию);
•
дополнительный PROFIBUS DP интерфейс (DP);
•
дополнительный PROFINET Interface интерфейс (PN).
Рассмотрим CPU 412-3H, изучаемый в рамках практических занятий по курсу.
Как следует из обозначения CPU, он обладает тремя сетевыми интерфейсами и относится к классу систем с возможностью резервирования [21]. В данном случае, резервирование достигается за счёт высокой избыточности – двух идентичных систем
(центральных процессоров и наборов модулей) для обслуживания одного процесса
(см. рисунок 8.3) Одна из систем такой сборки является рабочей, вторая – резервной,
на которую дублируются все данные пользовательской программы, сетевых взаимодействий, состояние модулей и т. д. Очевидно, что модули CPU системы с резервированием должны быть связаны друг с другом неким высокоскоростным (выше
скорости управляемых процессов) интерфейсом.
170
Рисунок 8.2 – Внешний вид CPU 412-3H
На рисунке 8.2, схематично демонстрирующем органы управления и индикации CPU
412-3H [21] можно видеть разъёмы двух модулей синхронизации («Submodule socket
for synchronization submodule 1/2»). Таким образом, для
CPU 412-3H доступны
следующие сетевые подключения:
•
MPI / PROFIBUS DP для подключения к программатору, устройствам ЧМИ по
MPI или сетевой конфигурации протокола PROFIBUS DP в режиме ведущего
(ведомого) устройства с возможностью подключения до 32 ведомых устройств;
•
два порта для синхронизации CPU, соединяемые специальными опто171
волоконными кабелями (оранжевые кабели на рисунке 8.3); имена этих интерфейсов – IFM1F, IFM2F.
В верхней части CPU41x, как и у CPU серии S7-300, находятся:
•
слот карты памяти («Memory card slot» на рисунке 8.2) формата PCMCIA.
Карты памяти и память, интегрированная в CPU, образуют т. н. загрузочную
память CPU. Загрузочная память содержит полный набор файлов проекта и
конфигурации:
программу
пользователя
с
комментариями,
символами,
специальную дополнительную информацию, которая делает возможной
декомпиляцию программы пользователя, а также все параметры модуля.
Типы памяти на карте могут быть следующими:
◦ Flash-память – обеспечивает постоянное сохранение резервной копии
программы пользователя даже в случае отключения питания CPU;
◦ RAM-память - предоставляет возможность редактирования пользовательской программы в режиме RUN.
•
Переключатель режимов работы («Mode selector» на рисунке 8.2)
RUN – CPU исполняет программу пользователя или бездействует;
STOP – программа пользователя не обрабатывается;
MRES – Memory Reset (стирание памяти). Процедура очистки памяти CPU
аналогична описанной в разделе 8.1
•
Индикаторы состояния
Количество и маркировка индикаторов зависит от имеющихся интерфейсов и
аппаратных особенностей CPU. Назначение индикаторов для CPU412-3H
представлены в таблице 8.1.
172
Таблица 8.1 – Назначение индикаторов CPU 412-3H
Индикатор
Цвет
Значение
INTF
внутренняя ошибка (например, ошибка времени: время
выполнения программы превышает указанное максимальное
красный
время выполнения цикла; ошибка прерывания по времени в
формате Time-of-Day и другие причины)
EXTF
красный внешняя ошибка (ошибка доступа к модулю)
BUS1F
красный отказ интерфейса MPI/PROFIBUS DP
IFM1F
красный ошибка в модуле синхронизации 1
IFM2F
красный ошибка в модуле синхронизации 2
FRCE
жёлтый
RUN
зелёный CPU находится в режиме RUN
STOP
жёлтый
REDF
красный отказ режима резервирования (избыточности)
MSTR
жёлтый
CPU назначает входные/выходные сигналы
RACK0
жёлтый
на шине 0 присутствует модуль CPU (CPU назначен в
качестве основного)
RACK1
жёлтый
на шине 1 присутствует модуль CPU (CPU назначен в
качестве резервного)
активен режим принудительного задания значения какоголибо входа или выхода
CPU находится в режиме STOP
8.4 Подключаемые модули для ПЛК Siemens Simatic S7-400
Ярко выраженная модульность является особенностью систем на базе S7-400. В
отличие от младшей серии S7-300, набор модулей значительно расширен, а возможности подключения дополнительных входных и выходных каналов практически не
ограничены
[22].
Все
модули
устанавливаются
на
монтажные
стойки
с
интегрированной внутренней шиной для объединения элементов системы, как это
видно на рисунке 8.3.
173
Рисунок 8.3 – Пример сборки на базе CPU 412-3H с возможностью
резервирования
Порядок размещения модулей является произвольным, фиксированное посадочное
место имеет только блок питания (крайнее левое положение). Монтажные стойки
позволяют размещать от 4 до 18 модулей, замена отдельных элементов может
производиться в горячем режиме, т. е. не требует остановки работы системы [19], [22].
Функционально модули представлены теми же группами, как для семейства S7-300:
•
блоки питания (PS);
•
центральные процессоры (CPU);
•
интерфейсные модули (IM);
•
сигнальные модули (SM);
•
функциональные модули (FM);
•
коммуникационные процессоры (CP).
Как минимум, автоматизированная система S7-400 включает в себя модули
блока питания и центрального процессора [19], [23]. Рассмотрим особенности
подключаемых модулей S7-400.
174
Модули источников питания (PS)
Для питания CPU и других модулей используются блоки питания PS 405 и PS 407. PS
405 использует входное напряжение постоянного тока, PS 407 – входное напряжение
переменного тока промышленной частоты. Формируемые выходные напряжения
составляют необходимые устройствам S7-400 5 и 24 вольт постоянного тока [24].
Блоки питания содержат одну или две буферные батареи в зависимости от тока
нагрузки (если ток нагрузки I ≥ 10А, требуется две батареи). Изображения модуля
источника питания с обозначением органов управления и индикации представлено на
рисунке 8.4.
Рисунок 8.4 - Модуль источника питания S7-400
Из рисунка 8.4 видно, что блоки питания содержат одну или две буферные
батареи (в зависимости от тока нагрузки). Переключатель контроля батареи должен
быть установлен в одно из следующих положений:
•
1BATT (если требуется одна буферная батарея);
•
2BATT (если требуется две буферные батареи);
•
OFF (работа баз батарей, например, при использовании внешнего блока
питания).
175
Назначение светодиодных индикаторов представлено в таблице 8.2.
Таблица 8.2 – Индикаторы модуля источника питания S7-400 PS 40x
Индикатор
Значение
INTF
Внутренняя ошибка, например:
• короткое замыкание или перегрузка в цепях 5В / 24В;
• подан недопустимый внешний питающий сигнал;
• ошибка батареи.
BAF
Ошибка батареи. Загорается при пониженном напряжении батареи и
отсутствии внешнего блока питания.
BATT1F
BATT2F
DC 5V
DC 24V
Светятся, если батарея отсутствует, разряжена или заряжена
наполовину. Индикация зависит от положения переключателя
контроля батареи.
Горят постоянно зелёным цветом, если выходное напряжение 5В /
24В находится в пределах нормы. Мигает при перезапуске и
восстановлении уровня напряжения.
Для систем с избыточностью (на базе H-CPU) требуется присутствие блока
питания в каждой подсистеме (рабочей и резервной). Для S7-400H наиболее подходят
специализированные модули PS 405 R или PS 407 R.
Модули центральных процессоров (CPU)
Возможно использование до 4 модулей CPU для параллельной обработки информации
[25].
Интерфейсные модули (IM)
Используются для подключения базового блока к дополнительным стойкам
(расширения системы):
•
UR1 - универсальная стойка до 18 модулей;
176
•
UR2 - универсальная стойка до 9 модулей;
•
ER1 - стойка расширения до 18 модулей;
•
ER2 - стойка расширения до 9 модулей.
Для S7-400 используются модули IM460, IM461, IM463, IM467 [22].
Сигнальные модули (SM).
Модули ввода-вывода цифровых и аналоговых сигналов. Количество подключаемых
сигнальных модулей для S7-400 является практически не ограниченным [19], [25].
Широко используются станции распределённого ввода-вывода ET 200, которые
подключаются к сетям PROFINET и PROFIBUS с помощью интерфейсных модулей.
Под управлением ПЛК S7-400 работают станции распределённого ввода-вывода ET
200M. Как было указано в разделе 3, на базе таких станций можно проектировать
системы автоматизации гибридного типа, поскольку станция ET 200M позволяет
использовать в своем составе сигнальные, функциональные и коммуникационные
модули программируемого контроллера Simatic S7-300. Допускается использовать
модули S7-300 различного исполнения (стандартное исполнение, модули Siplus, Fмодули).
В сети PROFIBUS DP станция ET 200M выполняет функции стандартного
ведомого DP устройства. Она способна поддерживать обмен данными с ведущим DP
устройством со скоростью до 12 Мбит/с. В сети PROFINET ET 200M выполняет
функции устройства ввода-вывода и способна поддерживать обмен данными с
контроллером ввода-вывода со скоростью 10/100 Мбит/с. Для подключения станций
ET-200 к сети PROFIBUS используются интерфейсные модули серии IM 153-1 и IM
153-2 HF [24].
Режим
работы
резервирования
станции
канала
связи)
ET
200M
или
может
быть
переключаемым
одноканальным
(соответственно,
(без
с
резервированием каналов связи). В первом случае станция комплектуется любыми
177
интерфейсными модулями IM 153, во втором - только интерфейсными модулями IM
153-2 HF. На рисунках 8.5, 8.6 и 8.7 схематически показана работа систем с
резервированием на базе CPU S7-400H и подключением распределённой периферии
[21, с.22].
Рисунок 8.5 – Нормальный режим работы системы с резервированием на базе CPU S7-400H
Рисунок 8.5 демонстрирует нормальный режим работы без отказов оборудования.
Резервная система выполняет дублирование данных в штатном режиме. На рисунке
8.6 показано переключение на резервную систему в связи с отказом модуля CPU в
рабочей сборке.
Рисунок 8.6 – Пример обработки отказа в системе с резервированием на базе CPU S7-400H
178
При этом ошибки, подобные показанной на рисунке 8.7 (отказы оборудования в
рабочей и резервной системах), обработаны быть не могут.
Рисунок 8.7 – Пример отказа системы с резервированием на базе CPU S7-400H
В этом случае работа отказоустойчивой системы будет прекращена.
Функциональные модули (FM)
Представляются собой автономные модули для решения специализированных
технологических
задач:
автоматического
регулирования,
скоростного
счёта,
позиционирования и др.
Коммуникационные процессоры (CP)
Необходимы для организации сетевого обмена по стандартам PPI, PROFIBUS,
Industrial Ethernet (протокол PROFINET).
Конфигурация системы, так же, как и в случае с S7-300, осуществляется в
программе HW Config. Компоненты системы выбираются из каталога оборудования.
Модули поставляются с завода с настроенными начальными параметрами. Если эти
параметры
отвечают
требованиям
проектируемой
системы,
дополнительного
конфигурирования не требуется. Фактическая конфигурация системы (существующий
179
набор модулей и параметров) может быть прочитана программатором. Если
необходимо изменить параметры или адресацию модуля (например, разрешить
аппаратное прерывание от модуля), требуется многопроцессорная конфигурация,
необходимо собрать систему в соответствии с проектной конфигурацией, которая при
запуске системы будет записана в CPU. Параметры CPU могут быть настроены таким
образом, что при различии в фактической и аппаратной конфигурациях работа CPU
будет не возможна [25].
8.5 Контрольные вопросы
1. Назовите отличия систем на базе S7-200 и S7-300 с точки зрения расширения
функциональных возможностей.
2. Какие типы CPU присутствуют в семействах S7-300 и S7-400?
3. Чем отличаются семейства Simatic S7-300 и S7-400?
4. Каков минимальный набор модулей в системе на базе на базе S7-300?
5. Каков минимальный набор модулей в системе на базе на базе S7-400?
6. Как реализуется резервирование данных в системах на базе CPU семейства S7400H с точки зрения набора аппаратного обеспечения и конфигурирования
системы?
7. В каких случаях возможен полный отказ системы с резервированием на базе
CPU семейства S7-400H?
8. Какого типа карты памяти используются в CPU семейства S7-300 и с какой
целью?
9. Какого типа карты памяти используются в CPU семейства S7-400 и с какой
целью?
10. Как определить тип и количество присутствующих в модуле CPU S7-300 и S7400 сетевых интерфейсов?
180
9 ПРОГРАММИРОВАНИЕ ПЛК S7-300/400
9.1 Программы системы комплексной автоматизации STEP 7
Разработка, тестирование, документирование пользовательских программ
программ для ПЛК семейства S7-300/400, а также аппаратное конфигурирование
станций,
дополнительных модулей и сетевых интерфейсов осуществляется с
помощью инструментов программного комплекса Step 7.
Основным инструментом Step 7 является Simatic Manager - система управления
проектами и вызова других утилит, доступных, в частности, из меню Пуск --> Simatic
--> Step7 операционной системы Windows:
•
LAD, STL, FDB – Programming S7 - Редактор пользовательских программ на
языках, перечисленных в разделе 2.3: LAD (контактно-релейные диаграммы),
FBD (диаграммы функциональных блоков), STL (список инструкций).
•
Memory Card Parameter Assignment - Утилита для сохранения пользовательской
программы в EEPROM-память с использованием программатора.
•
NetPro – Configuring Networks – Утилита для конфигурирования промышленных сетей стандартов MPI, PROFIBUS, Industrial Ethernet.
•
PID Control Parameter Assignment – Утилита для расчёта параметров ПИДрегуляторов3.
•
S7-PDIAG – Configuring Process Diagnostic – Утилита настройки диагностики
процесса для выявления программных ошибок и отказов оборудования.
•
S7-PLCSIM Simulating Modules – Утилита имитации работы ПЛК для предварительного тестирования и отладки программы..
•
3
Setting the PG-PC Interface – Утилита для установки параметров (адрес,
Пропорционально-интегрально-дифференциальные регуляторы.
181
скорость передачи, старший адрес) для подключения к MPI-сети.
•
Configure Simatic Workspace – Утилита для конфигурирования многопользовательских систем на базе S7.
•
Converting S5 files – Утилита для преобразования Step 5 программ в
соответствующие программы Step 7.
•
прочие специальные утилиты [26].
Step 7 Simatic Manager запускается на персональном компьютере или программаторах Field PG. Менеджер проектов помещает все актуальные данные в центральную базу данных, к которой есть доступ у каждого инструмента. На рисунке 9.1
видны доступные корневые разделы меню при запуске этого приложения (File, PLC,
View, Options, Window, Help) и иконки для выбора наиболее часто используемых
команд.
Рисунок 9.1 ─ Стартовое окно SIMATIC Manager
182
Инструменты, необходимые для работы в рамках практических занятий, будут
подробнее рассмотрены ниже.
9.2 Организация проекта системы
Структура
проекта
для
системы
на
базе
S7-300/400
определяется
особенностями технологического процесса, который нужно автоматизировать, и
конфигурацией имеющегося оборудования. Прежде всего, необходимо разбить
автоматизируемый процесс на ряд простых подзадач. Для каждой частной задачи
формируются
требования
к
аппаратному
(число
и
тип
входов/выходов,
производительность и тип CPU, ЧМИ, сетевые интерфейсы и др.) и программному
обеспечению (тип данных, способ обмена данными, структура программы и др.) [26].
Разработка программных и аппаратных средств проводится в рамках одного
проекта.
Таким
образом,
проект
STEP7
содержит
аппаратную
и
сетевую
конфигурацию, а также рабочие пользовательские программы и необходимые блоки
данных.
Проект имеет иерархическую древовидную структуру, в которой хранятся все
данные проекта, как это видно на рисунке 9.11.
Верхний (первый) уровень иерархии проекта представляет собой базу данных,
в которой хранятся все актуальные сведения. Второй уровень проекта соответствует
станции - исходному объекту для конфигурирования. Он содержит сведения о
конфигурации ПЛК и параметрах модулей, а также папки, соответствующие
пользовательским программам (содержит исходные коды в папке Sources и сведения о
блоках данных в папке Blocks). На этом же уровне располагаются сведения о типе
используемых промышленных сетей и конфигурации соединения. Содержание
последующих уровней зависит от того, какие объекты находятся на первых двух.
Рассмотрим подробнее процесс создания нового проекта. SIMATIC Manager
позволяет вызвать мастер создания нового проекта (File → 'New Project' Wizard) или
183
сформировать структуру проекта вручную (File → New). Второй вариант является
более предпочтительным, поскольку предлагаемые мастером аппаратные конфигурации (в частности, типы CPU) не являются исчерпывающими и могут не соответствовать списку оборудования, которое необходимо включить в конфигурацию
проекта.
Таким образом, для формирования нового проекта необходимо вызвать диалог
File → New, после чего необходимо указать начальные данные проекта: название,
путь размещения файлов проекта, подключение дополнительных библиотек (см.
рисунок 9.2).
Рисунок 9.2 ─ Диалог создания нового проекта в SIMATIC Manager
184
После указания этих сведений, SIMATIC Manager формирует иерархическую
базу данных проекта, по умолчанию содержащую корневую папку (соответствует
названию проекта и располагается в левой части окна менеджера проектов). В правой
части SIMATIC Manager располагаются элементы, присутствующие на данном уровне
иерархии. Эти элементы соответствуют аппаратной конфигурации, программе
пользователя и сетевым подключениям. По умолчанию в «пустом» проекте
присутствует только промышленный сетевой интерфейс, доступный для всех станций
S7 — MPI (см. рисунок 9.3).
Рисунок 9.3 ─ Иерархия проекта S7-300/400 по умолчанию
Дальнейшая конфигурация выполняется с использованием двух утилит Step7:
NetPro для задания сетевых параметров и HW Config для задания аппаратной
конфигурации. Необходимые утилиты вызываются из SIMATIC Manager, который
поддерживает обмен актуальными данным между разными инструментами. После
задания и сохранения актуальных параметров, файлы проекта должны быть
скомпилированы и загружены в ПЛК.
185
9.3 Задание аппаратной конфигурации используемых устройств
Когда определены основные данные проекта, необходимо последовательно
указать все необходимые в текущей конфигурации модули системы. Для этого
необходимо вызвать раздел контекстного меню Insert Object (Добавить объект) на
уровне проекта, как это показано на рисунке 9.4. Контекстное меню доступно по
нажатию правой кнопки мыши. Можно воспользоваться меню Insert (доступно в
строке меню SIMATIC Manager). При добавлении объекта можно указать его
символьное имя и некоторые другие параметры для описания и представления.
Рисунок 9.4 ─ Добавление новой станции в проект S7
186
Станция S7-300 является исходным объектом и после добавления в проект
образует следующий уровень иерархии, содержащий описание и параметры всех
модулей (см. рисунок 9.5).
Рисунок 9.5 ─ Проект S7 - уровень станции
По двойному клику на контексте Hardware вызывается утилита для
конфигурации системы S7-300/400 – HW Config (см. рисунок 9.6).
Рисунок 9.6 ─ Первый запуск HW Config для проекта
187
HW Config содержит три рабочие области: слева вверху отображается стойка
(профильная шина) и собранные на ней модули системы. Снизу отображаются
параметры этих модулей. В правой части находится каталог объектов, доступных для
добавления в систему. Если нужный объект отсутствует в каталоге, это означает, что в
системе отсутствует его описание в виде файла GSD (Device Master Data File, файл
базы данных устройств).
Первым добавляемым в систему S7-300 устройством может быть только
профильная шина (Rail): SIMATIC 300 → RACK-300 → Rail (см. рисунок 9.7).
Рисунок 9.7 ─ Добавление профильной шины (Rail)
После определения профильной шины на её слоты можно добавлять необходимые модули, как это показано на рисунках 9.8 и 9.9.
188
Рисунок 9.8 ─ Представление профильной шины в HW Config
Как было сказано в разделе 8.2, модули S7-300 имеют определённый порядок
расположения в слотах стойки. Слот №1 может занимать только модуль блока
питания, слот №2 — модуль CPU, слот №3 — интерфейсные модули. Возможность
назначить этим слотам другое оборудование в HW Config отсутствует, что снижает
вероятность ошибок аппаратного конфигурирования. Тем не менее, разнообразие
доступных модулей одинакового назначения и со схожими характеристиками требует
повышенного внимания к выбору нужного модуля из числа доступных. Поэтому при
добавлении модуля в слот стойки необходимо сверять не только характеристики
доступного для выбора и имеющегося в действительности оборудования, но и Order
number модуля, который также доступен при конфигурировании (см. рисунок 9.9).
189
Рисунок 9.9 ─ Выбор модуля S7-300 из списка доступных
Другая важная особенность аппаратной конфигурации S7-300 — назначение
определённых диапазонов адресов для модулей ввода-вывода. Назначенные по
умолчанию диапазоны дополнительных модулей или встроенных цифровых и
аналоговых входов и выходов у CPU31x-C указано в параметрах I address и Q address,
как это можно видеть на рисунке 9.10. Эти параметры необходимо учесть при
назначении адресов в программе пользователя.
190
Рисунок 9.10 ─ Адресное пространство модулей ввода-вывода
Изменение свойств любого из объектов аппаратной конфигурации (диапазоны
адресов ввода-вывода, свойства сетевых интерфейсов CPU и коммуникационных
процессоров и др.) доступно в контекстном меню (пункт Object Properties).
После добавления в конфигурацию необходимых модулей и назначения их
параметров, проект SIMATIC Manager содержит уровень станции и описание
модулей, с которыми работает пользователь. После завершения аппаратного
конфигурирования, необходимо указать, по каким именно правилам будут взаимодействовать модули, т. е. работать на уровне программы пользователя (S7 Program на
рисунке 9.11 ).
191
Рисунок 9.11 ─ Иерархия проекта S7
9.4 Создание сетевой конфигурации системы
Разработать и настроить сетевую конфигурацию системы можно с помощью
инструмента NetPro, который вызывается двойным кликом по названию интерфейса
или соответствующей пиктограммой (см. рисунок 9.3). NetPro предоставляет
информацию о задействованных и доступных промышленных сетевых интерфейсах в
соответствии с сохранённой аппаратной конфигурацией проекта. Так, в случае вызова
NetPro на начальных этапах формирования проекта, для настройки будет доступен
единственный интерфейс — MPI (см. рисунок 9.12).
192
Рисунок 9.12 ─ Сетевая конфигурация NetPro по умолчанию
Настройки сетевых интерфейсов доступны в контекстном меню (Object Properties для
выделенного интерфейса). Для настройки сети MPI доступны параметры:
•
старший адрес в сети устройств MPI / PROFIBUS (Highest Address);
•
скорость обмена данными в этой сети (Transmission Rate);
•
символьное имя интерфейса (Name).
Для добавления дополнительных интерфейсов необходимо изменить аппаратную
конфигурацию системы (добавить модуль коммуникационного процессора, станцию
распределённого ввода-вывода) или свойства модуля CPU с помощью инструмента
HW Config. Например, указанный в конфигурации модуль CPU 315F 2PN/DP может
быть без дополнительных устройств подключён к сетям MPI, PROFIBUS DP, Industrial
Ethernet (PROFNET). При добавлении этого модуля в аппаратную конфигурацию,
становятся доступны интерфейсы X1 – MPI/DP и X2 – PROFINET (видно на рисунках
9.9, 9.10). Каждый из этих портов может быть настроен на наличие или отсутствие
подключения по доступным интерфейсам. Режим использования порта X1 можно
задать как PROFIBUS (см. рисунок 9.13).
193
Рисунок 9.13 ─ Назначение режима порта X1 для CPU 315F - 2 PN/DP
SIMATIC Manager передаст эти изменения прочим утилитам, в том числе и Net
Pro, где будут указаны все задействованные для выбранной станции S7 интерфейсы,
как это показано рисунке 9.14. Видно, что и порт X2 настроен для подключения к сети
PROFINET.
Цветовая маркировка интерфейсов, показанная на рисунке 9.14, является
стандартной. Для настройки сети PROFIBUS DP доступны дополнительно настройки
профиля PROFIBUS DP, временных параметров передачи (Bus Parameters на рисунке
9.15), особенностей используемых сетевых кабелей (вкладка Options на рисунке 9.15).
194
Рисунок 9.14 ─ Представление задействованных интерфейсов утилитой NetPro
Рисунок 9.15 ─ Настройка параметров сети PROFIBUS с помощью NetPro
195
9.5 Особенности организации программы
В ранее рассмотренном случае (организация и обработка пользовательской
программы для ПЛК серии S7-200), исполняемый код состоял из основной
программы и необязательных элементов: вызываемых подпрограмм и программ
обработки прерываний. Основная программа пользователя (то есть, по сути, описание
всей логики управления конкретным процессом) содержалась в единственном
организационном блоке - OB1. Программный код, написанный для ПЛК
S7-300
является более дифференцированным благодаря разделению на специальные
элементы,
определяемые
(настраиваемые)
в
соответствии
с
конкретной
производственной задачей и конфигурацией ПЛК.
Управление
обработкой
пользовательской
программы
осуществляется
посредством организационных блоком (как минимум, существует OB1). Для
обработки и выполнения повторяющихся операций существуют специальные
элементы: функции (FC), функциональные блоки (FB), блоки данных (DB).
Существуют также системные функции (SFC) и системные функциональные блоки
(SFB). Эти элементы используют операционную систему ПЛК и могут быть вызваны
в программе пользователя. (S)FC, (S)FB, DB вызываются инструкцией CALL (для
STL). Добавление этих объектов в проект выполняется на уровне объектов программы
(Blocks), как это видно на рисунке 9.11.
Разработка и редактирование программы осуществляется в редакторе LAD/
FBD/ STL. Содержание каждого блока создаётся и редактируется независимо. Для
вызова
редактора
необходимо
выбрать
конкретный
редактируемый
объект
(организационный блок, функцию и др.) на уровне объектов программы пользователя
(см. рисунок 9.16).
Редактор LAD/ FBD/ STL (см. рисунок 9.17) в левой части предоставляет
доступные инструкции, функции, библиотеки и другие доступные для вызова объекты
(это окно может перемещаться или быть закрыто). Справа находятся три рабочие
области: таблица деклараций (сверху), кодовая секция и окно деталей снизу.
196
Рисунок 9.16 ─ Вызов редактора LAD/FBD/STL для объекта пользовательской программы
Рисунок 9.17 ─ Окно редактора LAD/ FBD/ STL
197
•
Таблица деклараций является частью редактируемого блока и содержит
описание переменных и параметров.
•
Кодовая секция содержит тело программы, которое может быть разбито на
отдельные сегменты (Network). Различные сегменты могут быть написаны на
разных языках (LAD,FBD, STL). Можно видеть, что для редактирования блока
на рисунке 9.17 выбрано представление LAD.
•
Область предоставления детализированной информации (внизу) содержит
следующие вкладки:
◦ Error (Ошибка) — отображает синтаксические и иные ошибки в процессе
ввода или компиляции программы.
◦ Info
(Информация)
—
предоставляет
дополнительную
информацию
(например, тип данных для указываемых переменных).
◦ Cross-references (Перекрёстные ссылки) — справочные данные; список
адресов, используемых в данном сегменте, и их использование в других
частях программы пользователя.
◦ Address info (Информация об адресах) — отображает адреса, используемые
в сегменте с указанием типа данных и текущего значения.
◦ Modify (Изменение) — позволяет изменять состояние используемых в
сегменте операндов.
◦ Diagnostics (Диагностика) — выводит имеющиеся данные для диагностики
процесса (если они сконфигурированы).
◦ Comparison (Сравнение) — отслеживание изменений содержания блока.
198
Концепция памяти систем на базе S7-300/400 несколько отличается от
рассмотренной в разделе 4.6. Память CPU S7-300/400 можно разделить на три области
[16]:
•
Загрузочная память
Энергонезависимая область, располагается на микрокарте памяти MMC.
Служит для хранения кодовых блоков, блоков данных, а также системных
данных
(конфигурации,
соединений,
параметров
модулей
и
т. д.).
Неисполняемые блоки хранятся исключительно в загрузочной памяти. Также на
MMC могут храниться конфигурационные данные всего проекта. Загрузка
пользовательских программ и, соответственно, эксплуатация CPU возможна
только при нахождении карты памяти в слоте.
•
ОЗУ (Рабочая память)
Рабочая память встроена в CPU и не может быть расширена. Она служит для
обработки кода, а также редактирования данных программы пользователя.
Обработка программы происходит только в области рабочей и системной
памяти. Рабочая память CPU всегда является сохраняемой.
•
Системная память
Системная память встроена в CPU и не может быть расширена. Области
системной памяти:
◦ области операндов: битов памяти (меркеров), таймеров и счетчиков
◦ образы процесса на входах и выходах
◦ локальные данные
Доступные пользователю области системной памяти CPU S7-300 описаны в таблице
9.1. Указанные диапазоны адресного пространства являются максимальными по
данным. Диапазоны адресов для конкретного устройства можно узнать из
технической документации на этот CPU или в интерактивной справке Simatic Manager
[16], [20], [21].
199
Таблица 9.1 – Области памяти CPU31x
Идентификатор
Описание
I
Образ процесса на входах. В начале каждого
цикла OB 1 после записи выходных значений
CPU опрашивает входы модулей ввода и
сохраняет полученные значения в образе
процесса на входах.
Bit
Byte
Word
DWord
I
IB
IW
ID
0.0 - 65535.7
0 - 65535
0 - 65534
0 - 65532
Q
Образ процесса на выходах. В течение цикла
программа рассчитывает значения для
выходов и сохраняет их в образе процесса на
выходах. В начале следующего цикла OB 1
CPU записывает рассчитанные выходные
значения в модули вывода.
Bit
Byte
Word
DWord
Q
QB
QW
QD
0.0 - 65535.7
0 - 65535
0 - 65534
0 - 65532
PI
Периферия: внешний вход. Эта область
Byte
обеспечивает прямой доступ программы к
Word
модулям ввода и вывода (периферийным
DWord
входам).
PIB
PIW
PID
0 - 65535
0 - 65534
0 - 65532
PQ
Периферия: внешний выход. Эта область
Byte
обеспечивает прямой доступ программы к
Word
модулям ввода и вывода (периферийным
DWord
выходам).
PQB 0 - 65535
PQW 0 - 65534
PQD 0 - 65532
M
Bit
Битовая память (меркеры). Область для
Byte
хранения
промежуточных
результатов,
Word
расчитанных в программе.
DWord
M
MB
MW
MD
0.0 - 255.7
0 - 255
0 - 254
0 - 252
T
Таймеры. В этой области генератор тактовых
импульсов обращается к ячейкам времени,
чтобы обновить их путем уменьшения
значения времени, а таймерные команды
получают доступ к ячейкам времени.
T
0-127 (CPU312)
0-255 (CPU31x)
0-511 (CPU317)
C
0-127 (CPU312)
0-255 (CPU31x)
0-511 (CPU317)
L
LB
LW
LD
0.0 - 65535.7
0 - 65535
0 - 65534
0 - 65532
Обращение
C
Счётчик
L
Содержит временные данные (динамические
локальные данные), используемые внутри
логического блока (OB, FB или FC). Они
являются промежуточным буфером. Когда
логический
блок
завершает
работу,
локальные данные теряются. Эти данные
хранятся в стеке локальных данных (L-стек).
200
Bit
Byte
Word
DWord
Максимальный
диапазон адресов
Идентификатор
DB
Описание
Обращение
Максимальный
диапазон адресов
Блок данных, открытый оператором OPN
DB.
Подробнее о блоках данных написано в
разделе 9.5.3
Bit
Byte
Word
DWord
DBX
DBB
DBW
DBD
0.0 - 65535.7
0 - 65535
0 - 65534
0 - 65532
Блок данных, открытый оператором OPN DI
Bit
Byte
Word
DWord
DIX
DIB
DIW
DID
0.0 - 65535.7
0 - 65535
0 - 65534
0 - 6553
Помимо указанных в таблице 9.1 областей, очевидно, есть аккумуляторы
ACCUx (x = 1;2) - специальные регистры для обработки байтов, слов и двойных слов.
Логические операции доступны для операндов, загруженных в аккумуляторы.
Результат логической операции записывается в ACCU1.
9.5.1 Организационные блоки – OB
Организационные блоки (OB) представляют собой «интерфейс» между
операционной системой ПЛК и программой пользователя. Программа пользователя
для S7-300 состоит из блоков, содержащих инструкции, параметры и данные для
соответствующего центрального процессора. В OB определяется последовательность
обработки программы пользователя. Операционная система различает несколько
классов приоритета исполнения OB: циклическая обработка программы, обработка
программы по аппаратному прерыванию и т. д.
Разные центральные процессоры (CPU) системы S7-300 отличаются количеством организационных блоков и типами блоков, поддерживаемыми операционной
системой CPU. Описание блоков, а также способов их использования можно найти в
интерактивной справочной системе STEP 7.
Блок OB1 создаётся и доступен по умолчанию при создании проекта. Создание
других OB доступно в контекстном меню дерева проекта (см. рисунок 9.11). Видно,
201
что доступны и прочие перечисленные элементы пользовательской программы.
В таблице 9.2 перечислены некоторые доступные для CPU-31x организационные блоки и стартовые события для их запуска [27]. Каждому стартовому событию
соответствует определённые шестнадцатеричный код, который здесь не указан.
Таблица 9.2 – Организационные блоки для CPU-31x
Номер OB
OB1
Стартовое событие
•
событие запуска OB1;
•
событие начала выполнения OB1
OB10
прерывание по времени суток
OB20,
прерывание с задержкой по времени
OB21
OB32-35
циклические прерывания
OB40
прерывание от процесса
OB80
обработка ошибок:
•
превышение времени цикла
•
ошибка запроса OB или FB
•
прерывание по времени суток завершается из-за сдвига по
времени
•
ошибка при множественном обращении к OB из-за переполнения
буфера стартовой информации
диагностические прерывания
OB82
•
модуль в норме (o.k.)
•
отказ модуля
202
Номер OB
OB83
OB85
Стартовое событие
•
модуль вставлен
•
модуль удален
•
отсутствует OB или FB
•
ошибка доступа к блоку со стороны ОС
•
ошибка доступа к I/O во время обновления входов образа
процесса (во время каждого обращения)
•
ошибка доступа к I/O во время передачи на выход данных образа
процесса (во время каждого обращения)
•
ошибка доступа к I/O во время обновления входов образа
процесса (уходящее событие)
•
ошибка доступа к I/O во время передачи на выход данных образа
процесса (уходящее событие)
•
ошибка доступа к I/O во время передачи на выход данных образа
процесса (приходящее событие)
OB86
OB100
только для CPU-31x -2DP:
•
распределённая периферия: отказ станции (уходящее событие)
•
распределённая периферия: отказ станции (приходящее событие)
перезапуск:
•
запрашивается ручной перезапуск
•
запрашивается автоматический перезапуск
обработка синхронных ошибок
203
Номер OB
OB121
OB122
Стартовое событие
•
ошибка преобразования формата BCD
•
ошибка размера области при считывании
•
ошибка размера области при записи
•
ошибка диапазона допустимых значений при считывании
•
ошибка диапазона допустимых значений при записи
•
ошибка номера таймера
•
ошибка номера счетчика
•
ошибка выравнивания при считывании
•
ошибка выравнивания при записи
•
DB не загружен
•
FC не загружен
•
FB не загружен
•
ошибка доступа к периферии при n-ной попытке считывания (n >
1)
•
ошибка доступа к периферии при n-ной попытке записи (n > 1)
9.5.2 Функции – FC
Представляют собой кодовый блок без статических данных (например, функция
для расчёта). FC определяются пользователем. Пользователю доступны также
системные функции (SFC), некоторые из них перечислены в таблице 9.3 [27].
204
Таблица 9.3 – Примеры системных функций (SFC) для CPU-31x
Номер
Имя SFC
Описание
SFC
0
SET_CLK
установка времени
1
READ_CLK считывание времени
2
SET_RTM
3
CTRL_RTM управление часами учёта рабочего времени
4
READ_RTM считывание значения часов учёта рабочего времени
задание начального значения часам учёта рабочего времени
...
22
CREAT_DB
создание блока данных
23
DEL_DB
удаление блока данных
24
TEST_DB
тестирование блока данных
28
SET_TINT
установка прерывания по времени
29
CAN_TINT
отмена прерывания по времени
30
ACT_TINT
активизация прерывания по времени
WAIT
задержка выполнения программы согласно заданному
...
...
47
значению времени ожидания
...
64
TIME_TICK считывание системного времени
65
X_SEND
посылка данных внешнему коммуникационному партнёру
от данной станции S7
66
X_RCV
приём данных от внешнего коммуникационного партнёра
данной станцией S7
205
Номер
Имя SFC
Описание
SFC
67
X_GET
считывание данных от внешнего коммуникационного
партнёра
68
X_PUT
запись данных в устройство внешнего коммуникационного
партнёра
69
X_ABORT
разрыв соединения с внешним устройством
9.5.3 Блоки данных – DB
Это области данных в программе пользователя, где содержатся данные
пользователя. Блоки данных могут быть глобальными, в этом случае к ним можно
обратиться изо всех кодовых блоков. С другой стороны, существуют экземплярные
блоки данных, которые поставлены в соответствие определённому функциональному
блоку.
Если необходимо одновременно открыть два различных блока данных, то один
из них может быть открыт оператором «OPN DB», а второй – оператором «OPN DI».
Благодаря этому CPU может отличить, к какому из двух открытых блоков данных
хочет обратиться пользовательская программа. Хотя оператор «OPN DI» можно
использовать для открытия любого блока данных, этот оператор в основном
используется
для
открытия
экземплярных
блоков
данных,
связанных
с
функциональными блоками (FB) и системными функциональными блоками (SFB).
Если блок данных перед вызовом функции (функционального блока) открыт
инструкцией OPN DB/DI, к нему можно обратиться так, как указано в таблице 9.1.
Однако рекомендуемая форма вызова является полной. Например, для обращения к
биту z байта y блока данных хх необходимо указать операнд в виде DBxx.DBXy.z..
206
9.5.4 Функциональные блоки – FB
Это кодовые блоки, содержащие так называемые статические данные (используемые только внутри FB). FB предоставляют возможность передачи параметров в
программу пользователя (это может быть удобно, например, для регулирования).
Также из пользовательской программы могут быть вызваны системные функциональные блоки (SFB), которые встроены в операционную систему ПЛК. Примеры SFB
приведены в таблице ниже [27].
Таблица 9.4 – Примеры системных функциональных блоков, поддерживаемые операционной
системой S7-300
Номер
Имя SFB
Описание
SFB
0
CTU
прямой счёт
1
CTD
обратный счёт
2
CTUD
прямой/обратный счёт
3
TP
генерация импульса
4
TON
задержка по переднему фронту
5
TOF
задержка по заднему фронту
SFB для встроенных входов/выходов (только CPU 31xC):
43
PULSEGEN
импульсный регулятор
47
COUNT
счёт
48
FREQUENC изменение частоты
49
PULSE
широтно-импульсная модуляция (ШИМ)
207
9.5.5 Структуры данных, определяемые пользователем
Типы данных, определяемые пользователем (англ. Used Defined Type, UDT),
могут быть использованы в блоках данных или в их описаниях. UDT создаётся с
помощью редактора блоков данных и может содержать группу элементарных и/или
сложных типов данных или других UDT [26], [27]. Элементарные типы данных,
которые могут быть обработаны за одну инструкцию, определены стандартом МЭК
61131-3 и рассмотрены в разделе 2.3. Сложные типы данных: DATE_AND_TIME
(Дата и время), ARRAY (Массив), STRUCT (Структура), STRING (Строка символов)
могут использоваться только как комбинация переменных в глобальном блоке данных,
в L-стеке или в описаниях функциональных блоков и функций.
Тип данных, определяемый пользователе (UDT) задаётся в виде структуры, в
которой пользователь описывает переменные, необходимые для хранения данных.
Добавление нового объекта выполняется на уровне объектов программы пользователя, т. е. необходимо добавить объект «Data Type», как показано на рисунке 9.11. После
добавления объекта UDT и назначения имени, его можно открыть в редакторе блоков
двойным щелчком.
Рисунок 9.18 - Редактор блоков данных Step7
208
Редактор блоков данных (см. рисунок 9.18) представляет собой таблицу со
следующими столбцами:
•
Address – содержит адрес первого байта области памяти, занимаемой
переменной. Заполняется редактором во время сохранения блока.
•
Name — локальное символьное имя элемента структуры.
•
Type — тип данных (выбирается из предоставленного списка по щелчку правой
кнопки мыши).
•
Initial value — начальное значение элемента. По умолчанию в качестве
начального значения принимается ноль.
•
Comment — комментарий для элемента данных (не обязательно).
Как и логические блоки, блоки данных могут быть загружены в CPU. Контролировать
текущие значения блока или структуры данных можно в режиме Data View.
9.6 Контрольные вопросы
1. Назовите основные программные инструменты комплекса Step7 и их назначение. Какие инструменты понадобятся вам в рамках практических занятий по
курсу?
2. Какие данные содержит проект системы на базе ПЛК S7-300/400?
3. В каких ситуациях предпочтительно отказаться от создания проекта в автоматическом режиме (не использовать мастер создания проекта)?
4. В какой последовательности задаётся аппаратная конфигурация системы на
базе ПЛК S7-300/400?
5. Чем могут отличаться аппаратные конфигурации систем на базе ПЛК S7-300 и
S7-400?
209
6. На что нужно обратить внимание при выборе модулей из списка доступного
оборудования при аппаратном конфигурировании системы?
7. Как задаётся адресное пространство модулей ввода-вывода?
8. Какие элементы которые могут использоваться в качестве объектов программы
пользователя?
9. Чем программа пользователя для ПЛК на базе S7-300/400 отличается от
программ для S7-200?
10. Можно ли организовать взаимодействие и перекрёстные вызовы различных
элементов проекта на уровне пользовательской программы (организационных
блоков, блоков данных, функций и др.)?
210
10
10.1
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ. ЧАСТЬ II
Лабораторная работа №3. Разработка программы управления
асинхронным двигателем на базе ПЛК Siemens Simatic S7-200/300
Цель работы:
Целью работы является изучение частотного преобразователя Siemens Micromaster
440
и
разработка
системы
управления
асинхронным
двигателем
на
базе
промышленного ПЛК.
Задача:
Разработать
систему
управления
асинхронным
приводом
с
использованием
преобразователя Micromaster 440. Разрабатываемая система должна удовлетворять
следующим требованиям:
•
обеспечение режима работы с заданием фиксированной частоты. В данном
режиме оператор должен иметь возможность ручного запуска и останова
двигателя, включение реверса, а также задания фиксированной частоты
вращения вала (с возможностью переключения единиц скорости – Гц, рад/с,
об/мин);
•
обеспечение режима работы с заданием периодического управляющего сигнала
(синусоидального или пилообразного). В данном режиме работы оператор
должен иметь возможность задания периода (единицы измерения – секунды) и
амплитуды (единицы измерения – Гц, рад/с или об/мин) управляющего сигнала;
•
обеспечение режима работы с заданием управляющего сигнала в соответствии
со значением сигнала датчика, подключенного к аналоговому входу ПЛК.
Зависимость между сигналами предполагается линейной. В данном режиме
работы оператор должен иметь возможность задания коэффициентов линейной
зависимости – коэффициента смещения и коэффициента усиления;
211
•
во всех режимах работы необходимо предусмотреть вывод сведений о скорости
вращения двигателя на сенсорную панель управления оператора в графическом
и числовом формате;
•
возможность завершения программы из интерфейса пользователя;
•
при тестировании использовать три типа управления приводом: 1) линейное
V/f-регулирование; 2) безсенсорное векторное управление; 3) безсенсорное
векторное управление моментом.
Данная работа выполняется в два этапа. На первом этапе в качестве управляющего
устройства используется ПЛК Siemens Simatic S7-200. На втором этапе – Siemens
Simatic S7-300.
Этапы выполнения работы:
1. Определить компоненты и структуру разрабатываемой системы. Дать
обоснование предложенной структуре.
2. Изучить характеристики каналов ввода-вывода устройств, которые будут
использоваться для измерения физических характеристик и управления.
3. Изучить характеристики предполагаемых датчиков и исполнительных
устройств.
4. Изучить преобразователь Micromaster 440.
5. Определить функции, выполняемые каждым компонентом системы.
6. Составить при необходимости схемы подключения устройств.
7. Согласно структурной схеме и набору функций разработать обобщённый
алгоритм (функциональную схему) работы системы.
8. В соответствии с обобщённым алгоритмом и набором функций составить эскиз
интерфейса оператора (ЧМИ).
212
9. Составить список переменных, которые будут использоваться в системе ЧМИ.
10. Составить блок-схему алгоритма программы (с учёном особенностей
функционирования ПЛК).
11. Составить таблицу соответствия ячеек памяти ПЛК полному списку
переменных.
12. Составить программу для ПЛК, а также проект для системы ЧМИ.
13. Выполнить задание нужной конфигурации для преобразователя Micromaster.
14. Произвести тестирование работы системы. Определить ошибки/недостатки,
внести изменения в алгоритм, программу (интерфейс) и повторить этап.
Используемое аппаратное обеспечение:
•
PLC Siemens Simatic S7-200 CPU 224XP (6ES7 214-2AD23-0XB0);
•
PLC Siemens Simatic S7-300 CPU 315F-2PN/DP (315-2FH13-0AB0);
•
PLC Siemens Simatic S7-300 CPU 313C-2DP (313-6CF03-0AB0);
•
Сигнальный модуль AI4/AO2x8bit SM-334 (334-0CE01-0AA0);
•
Сигнальный модуль DO8xDC24V/2A SM-322 (334-1FB01-0AA0);
•
Siemens Simatic HMI Touch Panel TP177 micro;
•
Siemens Simatic HMI Touch Panel TP177 color PN/DP;
•
Siemens USB-PPI Multi-Master Cable;
•
частотный преобразователь Siemens MICROMASTER 440;
•
асинхронный трёхфазный двигатель 0,2 кВт (1LA9053-2LA10);
•
персональный компьютер с USB-портом.
213
Используемое программное обеспечение:
•
Siemens STEP7-Micro/Win;
•
Siemens Simatic Manager (в составе пакета Siemens STEP7);
•
Siemens Simatic WinCC Flexible 2007 micro;
•
Siemens Simatic WinCC Flexible 2007 Advanced.
Используемая документация:
•
Simatic Программируемый контроллер S7-200. Системное руководство.
Издание 06/2004;
•
WinCC flexible 2004 Micro. Руководство пользователя, редакция 03/2004;
•
Simatic HMI. WinCC flexible 2007 Compact/Standard/Advanced. User's Manual;
•
Simatic. Компоненты систем комплексной автоматизации. Каталог ST70-2007
•
Simatic. S7-300 Programmable Controller. Quick Start. Primer (№ C79000-G7076C500-01);
•
Simatic. Ladder Logic (LAD) for S7-300 and S7-400 Programming. Manual (№
C79000-G7076-C504-02);
•
MICROMASTER 440. Руководство по эксплуатации. Документация
пользователя. Издание A1;
•
Материалы лекций по курсу «Современная промышленная электроника».
214
10.2
Лабораторная работа №4. Цифровая фильтрация сигналов на
базе ПЛК Siemens Simatic S7-200/300
Цель работы:
Целью работы является разработка программно-аппаратного комплекса, реализующего функции цифровой фильтрации сигналов.
Задача:
Разработать аппаратно-программный комплекс с функциями цифровой фильтрации
сигналов датчиков. Аппаратная часть комплекса должна состоять из сенсорной панели
управления, выполняющей интерфейсные функции между системой и оператором, а
также промышленного ПЛК, являющегося вычислителем. Система должна обеспечивать низкочастотную фильтрацию входного сигнала с использованием дискретного
фильтра первого порядка, получаемого при конечно-разностной дискретизации
непрерывного фильтра с передаточной функцией
W ( p)=
K
,
T⋅p+ 1
где K – коэффициент усиления фильтра; T – постоянная времени; p – комплексная
переменная преобразования Лапласа.
При разработке системы должны быть учтены следующие требования:
•
для оценки характеристик фильтрации в системе должен быть реализован
алгоритм вычисления амплитудных значений сигналов на входе и на выходе
фильтра – AI, AO;
•
источником входного сигнала фильтра является аналоговый вход ПЛК;
215
•
приёмником выходного сигнала фильтра является аналоговый выход ПЛК;
•
для решения задачи тестирования необходимо предусмотреть возможность
переключения источника входного сигнала фильтра на генератор опорного
сигнала;
•
опорным сигналом, используемым в режиме тестирования, является цифровой
сигнал синусоидальной
формы
с
задаваемой
оператором
частотой
и
амплитудой;
•
предусмотреть
возможность
задания
нормирующего
коэффициента
(приведение к заданной шкале величин), при использовании аналогового входа
в качестве источника входного сигнала;
•
разрабатываемая система должна предусматривать возможность задания
оператором параметров фильтрации (K, T), а также параметра дискретизации –
периода дискретизации TD;
•
на сенсорную панель управления должны выводиться входной и выходной
сигналы – (X, Y), представленные в графической (на одном графике) и
числовой форме, значения амплитуд входного и выходного сигналов – (A I, AO);
•
возможность завершения программы из интерфейса пользователя.
Данная работа проходит в два этапа. На первом этапе в качестве вычислителя
используется ПЛК Siemens Simatic S7-200. На втором этапе – ПЛК Siemens Simatic
S7-300.
По окончании разработки системы производится тестирование, включающее
следующие процедуры:
1. определение достоверности работы системы с использованием внутреннего
генератора опорного сигнала;
216
2. определение достоверности работы системы с использование внешнего
генератора сигналов, подключаемого к аналоговому входу ПЛК (см.
приложение с описанием метода тестирования цифрового фильтра);
При положительных результатах тестирования работоспособность системы должна
быть продемонстрирована с использованием одного из промышленных датчиков
(температуры, расхода жидкости, … ).
Этапы выполнения работы:
1. Определить компоненты и структуру разрабатываемой системы. Дать
обоснование предложенной структуре.
2. Изучить характеристики каналов ввода-вывода устройств, которые будут
использоваться для измерения физических характеристик и управления.
3. Изучить характеристики предполагаемых датчиков и исполнительных
устройств.
4. Определить функции, выполняемые каждым компонентом системы.
5. Составить при необходимости схемы подключения устройств.
6. Согласно структурной схеме и набору функций разработать обобщённый
алгоритм (функциональную схему) работы системы.
7. Разработать математическую модель алгоритма цифровой фильтрации сигнала.
8. В соответствии с обобщённым алгоритмом и набором функций составить эскиз
интерфейса оператора (ЧМИ).
9. Составить список переменных, которые будут использоваться в системе ЧМИ.
10. Составить блок-схему алгоритма программы (с учёном особенностей
функционирования ПЛК).
11. Составить таблицу соответствия ячеек памяти ПЛК полному списку
217
переменных.
12. Составить программу для ПЛК, а также проект для системы ЧМИ.
13. Произвести тестирование работы системы. Определить ошибки/недостатки,
внести изменения в алгоритм, программу (интерфейс) и повторить этап.
14. Согласно результатам тестирования определить экспериментальную АЧХ
цифрового фильтра и погрешность с идеальной моделью фильтра.
Используемое аппаратное обеспечение:
•
PLC Siemens Simatic S7-200 CPU 224XP (6ES7 214-2AD23-0XB0);
•
PLC Siemens Simatic S7-300 CPU 315F-2PN/DP (315-2FH13-0AB0);
•
PLC Siemens Simatic S7-300 CPU 313C-2DP (313-6CF03-0AB0);
•
Сигнальный модуль AI4/AO2x8bit SM-334 (334-0CE01-0AA0);
•
Сигнальный модуль DO8xDC24V/2A SM-322 (334-1FB01-0AA0);
•
Siemens Simatic HMI Touch Panel TP177 micro;
•
Siemens Simatic HMI Touch Panel TP177 color PN/DP;
•
Siemens USB-PPI Multi-Master Cable;
•
Персональный компьютер с USB-портом.
Используемое программное обеспечение:
•
Siemens STEP7-Micro/Win;
•
Siemens Simatic Manager (в составе пакета Siemens STEP7);
•
Siemens Simatic WinCC Flexible 2007 micro;
218
•
Siemens Simatic WinCC Flexible 2007 Advanced;
•
Mathsoft Mathcad.
Используемая документация:
•
Simatic Программируемый контроллер S7-200. Системное руководство.
Издание 06/2004;
•
WinCC flexible 2004 Micro. Руководство пользователя, редакция 03/2004;
•
Simatic HMI. WinCC flexible 2007 Compact/Standard/Advanced. User's Manual;
•
Simatic. Компоненты систем комплексной автоматизации. Каталог ST70-2007
•
Simatic. S7-300 Programmable Controller. Quick Start. Primer (№ C79000-G7076C500-01);
•
Simatic. Ladder Logic (LAD) for S7-300 and S7-400 Programming. Manual (№
C79000-G7076-C504-02);
•
Теория систем автоматического управления : Учеб. пособие / В.А. Бесекерский,
Е.П. Попов .— 4-е изд., перераб. и доп .— Санкт-Петербург : Профессия, 2003 .
— 747 с. : ил .— (Специалист) .— Библиогр.: с.744-747.
•
Гольденберг Л.М. и др. Цифровая обработка сигналов: Учеб. пособие для вузов.
/ Л.М. Гольденберг, Б.Д. Матюшкин, М.Н. Поляк. - М.: Радио и связь, 1990. 256 с.: ил.
•
Материалы лекций по курсу «Современная промышленная электроника».
219
11
11.1
ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ
Существующие типы промышленных сетей. Модель OSI
При создании систем автоматизации часто возникает задача не только локаль-
ного подключения датчиков и проводов к управляющим устройствам (ПЛК), но также
и обмен данными между этими устройствами. Такое взаимодействие необходимо как
для решения простейшей задачи подключения ПЛК к системе человеко-машинного
интерфейса (ЧМИ), так и для создания иерархических систем управления сложными
производственными процессами, где должен быть обмен данными между различными
установками и модулями.
Указанная задача решается с помощью использования различных промышленных сетей, интерфейсы для которых часто реализуются в ПЛК. Основным отличием
таких сетей от классических вариантов локальных сетей является детерминированность (подтверждение передачи данных) и работа в режиме реального времени.
Другой особенностью является применение физических каналов связи, позволяющих
организовать передачу данных между устройствами, находящимися на значительных
расстояниях.
Терминология. В иностранной литературе промышленные сети обозначаются
либо термином «industrial network» (дословный перевод – «промышленная сеть»),
либо термином «fieldbus», который дословно переводится как «полевая шина», но
имеет значение именно как «промышленная сеть».
В настоящее время существует множество стандартов различных промышленных сетей. Перечислим здесь одни из самых используемых:
•
MODBUS
Открытый протокол последовательной передачи данных, разработанный
Modicon (на данный момент Schnider Electric) для использования в ПЛК. Для
220
передачи данных могут использоваться физические стандарты: RS-485, RS-422,
RS-232. Отдельно был разработан вариант передачи данных по локальным
сетям – MODBUS TCP.
Протоколы MODBUS реализуют прикладной (7), канальный (2) и физический
(1) уровни сетевой модели OSI.
•
CAN – Controller Area Network (сеть контроллеров)
Стандарт ориентирован для подключения датчиков и исполнительных
устройств в одну сеть. Разработан компанией Robert Bosch GmbH в 1983г.
Передача данных производится последовательно пакетами с использованием
широковещательного режима. Стандарт нашёл широкое распространение в
промышленной автоматизации, автомобилестроении, а также в системах
«умный дом» и др.
•
PROFIBUS – Process Field Bus
Открытая промышленная сеть, разработанная компанией Siemens AG
(прототип) для контроллеров Simatic. Сеть отвечает стандартам EN 50170 (что
гарантирует открытость и независимость от производителя), DIN 19245 и IEC
61158. Для передачи данных используются последовательные протоколы
данных. Стандарт PROFIBUS реализует три уровня сетевой модели OSI:
прикладной уровень (7), канальный уровень (2) и физический уровень (1).
•
AS-Interface – Actuator Sensor Interface
Промышленная сеть, предназначенная для подключения датчиков и приводов.
Используется в основном для передачи дискретных сигналов. Последняя
спецификация – AS-i 3.0 (2007), в котором реализованы решения для Ethernet.
•
Industrial Ethernet – промышленные сети
◦ PROFINET – Process Field Net
Открытый стандарт промышленной сети для реализации PROFIBUS и
PROFINET International (PI) для автоматизации. Стандарт определяет
протоколы передачи данных с использованием TCP/IP (для медленных
221
систем), так и протоколы, обеспечивающие режим работы в реальном
времени (для быстрых систем). С 2003 года включён в стандарты IEC 61158
и IEC 61784.
◦ EtherCAT
Стандарт промышленной сети на базе Ethernet, разработанный компанией
Beckhoff. Обеспечивает распределённое управление (передачу данных) в
режиме реального времени.
Как видно из примеров, открытые протоколы передачи данных часто используют для своего описания сетевую модель OSI стека сетевых протоколов (ГОСТ Р
ИСО/МЭК 7498-1-99). Напомним структуру данной сетевой модели, представленную
в таблице 11.1.
Таблица 11.1 ─ Уровни протоколов сетевой модели OSI
Слой
Описание
7. Application layer Данный слой обеспечивает доступ приложений пользователя к
(Прикладной)
сетевым ресурсам.
На данном слое производится преобразование данных из
6. Presentation layer стандартных форматов уровня приложения в форматы для
(Представительский) передачи данных по сети. Также осуществляется сжатие и
шифрование данных.
5. Session layer
(Сеансовый)
Управление сеансами связи, что позволяет приложениям
взаимодействовать друг с другом длительное время.
4. Transport layer
(Транспортный)
Данный слой предоставляет механизм передачи данных,
которые разбиваются на сегменты.
3. Network layer
(Сетевой)
Вводится логическая адресация. Производится определение
пути передачи данных, а также трансляция логических
адресов в физические. На данном уровне передаются пакеты
данных.
2. Data link layer
(Канальный)
На данном уровне производится передача кадров данных
между двумя устройствами, находящимися в одном сегменте
сети. Вводится физическая адресация устройств – аппаратные
адреса используются для определения устройства-отправителя
кадра и устройства-приёмника.
222
Слой
Описание
1. Physical layer
(Физический)
На этом слое производится передача двоичных данных (битов)
по некоторой физической среде – каналам связи. Данный слой
является зависимым от сети.
Основные сетевые интерфейсы, с которыми в дальнейшем будем иметь дело,
часто работают на физическом уровне с каналами связи, отвечающими стандарту RS485. Поэтому уделим ему отдельное внимание.
11.2
Шинная топология на базе RS-485
Стандарт RS-485 является стандартом физического уровня, реализующего асин-
хронный интерфейс передачи данных. Основные технические характеристики интерфейса представлены в таблице 11.2. Отметим, что стандартом фиксируются только
электрические и временные характеристики.
Таблица 11.2 ─ Основные технические характеристики стандарта RS-485
Характеристика
Значение
Физическая среда передачи Одна витая пара. Часто дополнительно используется
данных
экранирующая оплётка.
Тип сигнала
Топология сети
Дифференциальный сигнал.
Разница напряжений одной полярности задаёт
логическую единицу, а другой полярности – логический
ноль.
Шина
Максимальное количество
32 в одном (независимом) сегменте сети
приёмопередатчиков
Максимальное количество
256 с учётом магистральных усилителей
узлов в сети
Максимальная длина
сегмента сети
1200м
Активность устройств
Только один передатчик может быть активным
223
Характеристика
Скорость обмена данными
(в зависимости от длины
линии)
Значение
•
•
•
•
•
•
10Мбит/с – 10м (2 витых пары)
2.4Мбит/с – 100м (2 витых пары)
1Мбит/с – 300м (одна витая пара)
500кбит/с – 300м (одна витая пара)
375кбит/с – 300м (одна витая пара)
62.5кбит/с – 1200м (одна витая пара)
Тип приёмопередатчиков Дифференциальный, потенциальный
Интервал напряжений на
От -7В до +12В (+7В)
линиях A и B
Подключение всех устройств к шине является параллельным. Пример подключения нескольких контроллеров показан на рисунке 11.1.
Рисунок 11.1 ─ Подключение контроллеров к шине стандарта RS-485
При подключении устройств к шине по стандарту RS-485 часто используется 9контактный разъём, цоколёвка которого приведена в таблице 11.3. В данной таблице
также приведены дополнительные данные, относящиеся к реализации сетевого
протокола PROFIBUS.
224
Таблица 11.3 ─ Цоколёвка разъёмов для подключения к шинам RS-485
№
Соответствие
контакта
RS-485
Наименование
сигнала
Обозначение
1
SHIELD
Экран, защищённая земля
2
M24V
0В выходное напряжение
3
B/B'
RxD/TxD – P
4
CNTR-P
5
C/C'
DGND
Приём/передача данных – не
инвертированный (+)
Управление (+)
Земля сигналов A и B
6
VP
7
P24V
+24В выходное напряжение
RxD/TxD – N
Приём/передача данных –
инвертированный (-)
8
A/A'
9
Voltage-Plus
CNTR-N
Управление (-)
Надёжность передачи данных в рассматриваемой сети сильно зависит от
качества сигналов, отсутствия или наличия отражённых сигналов и т. д. Чтобы
обеспечить нужное качество и согласование используются так называемые
терминаторы – специальные резисторы, позволяющие устранить ряд проблем.
Устанавливаются данные резисторы на концах кабелей. В том числе и в самих
приёмопередатчиках.
11.3
Шина PROFIBUS
Как было сказано выше, стандарт PROFIBUS реализует открытые протоколы
передачи данных в промышленных сетях с использованием последовательных
каналов.
Основным документом по описанию данной шины можно считать PROFIBUS
Specification [28], в котором изложены все необходимые данные. В дальнейшем будем
опираться на данную спецификацию, а также на документацию [29], [30], [31].
225
Сетевая структура шины PROFIBUS соответствует модели OSI (см. таблицу
11.1) и задействует три слоя: физический, канальный и прикладной. Структура данной
шины с указанием протоколов представлена в таблице 11.4.
Таблица 11.4 ─ Сетевая структура шины PROFIBUS
OSI-слой
Протоколы PROFIBUS
Управление
7. Application
FMS, LLI
FMA 7
6. Presentation
–
5. Session
–
4. Transport
–
3. Network
–
2. Data link
FDL (Fieldbus Data Link)
1. Physical
RS-485, Optical, MBP
FMA 1/2
Как видно из таблицы, шина PROFIBUS может быть реализована на базе
стандарта RS-485 (кратко рассмотренного выше), на основе оптических линий.
Возможно также использование спецификации MBP (Manchester Bus Powered), когда
по одному кабелю передаются как данные, так и электропитание устройства.
На канальном уровне используется протокол Fieldbus Data Link (FDL), который
сочетает в себе два метода: 1) передача маркера (token); 2) ведущий-ведомый. Каждое
устройство сети PROFIBUS является либо ведущим (master), либо ведомым (slave)
[29, глава 2]. Ведущая станция, в случае, если ей предоставлено на это право, контролирует шину, передавая и принимая данные. Ведомые станции могут только отвечать
на запросы. Право контролировать шину ведущая станция имеет только тогда, когда у
неё находится маркер. Переход маркера от одной ведущей станции к другой
осуществляется по логическому кольцу, что позволяет каждому ведущему устройству
в получить доступ к шине.
На уровне приложения используется протокол Fieldbus Message Specification
(FMS) – спецификация сообщений полевого уровня, а также Lower Layer Interface
(LLI) – низкоуровневый интерфейс.
Протокол FMS является универсальным для
226
решения задач по обмену данными между интеллектуальными сетевыми устройствами.
Отдельным столбцом выделены протоколы управления шиной на каждом из
уровней – Fieldbus Management.
Сетевая шина PROFIBUS позволяет одновременно использовать следующие
стандартные протоколы передачи данных:
1. PROFIBUS DP – decentralized peripherals – шина распределённой периферии
Данный протокол предназначен для высокоскоростного обмена данными между
средствами автоматизации (ПЛК) и распределённой периферией (устройства
ввода-вывода) в режиме реального времени. Одной из особенностей реализации на низком уровне является использование в сетевых картах рефлективной
памяти, которая позволяет освободить ресурсы процессора и сделать передачу
данных более прозрачной.
2. PROFIBUS PA – process automation – шина автоматизации процесса
Данный протокол предназначен для подключения полевых устройств сбора
дынных (датчиков), а также передавать данные на приводы. В данном протоколе используются как основные, так и расширенные функции PROFIBUS DP, что
позволяет не только передавать измеренную информацию, но и производить
конфигурацию полевых устройств.
3. PROFIBUS FMS – fieldbus message specification – спецификация сообщений
полевого уровня
Данный протокол является наиболее универсальным среди уже рассмотренных
в семействе PROFIBUS. Он реализует клиент-серверную структуру, где клиентом является процесс приложения, обращающегося к объектам за определённой
услугой. Сервер является исполнителем услуги.
При обмене данными между ведущим и ведомыми устройствами используются
227
протоколы PROFIBUS DP и PROFIBUS PA. В случае же обмена данными между
ведущими устройствами используется PROFIBUS FMS, либо службы низкоуровневого протокола FDL. Кроме этого могут использоваться функции S7, созданные для
оптимизации передачи данных между устройствами Simatic S7.
Для работы в сети PROFIBUS каждое устройство описывается производителем
в Genaral Station Description (GSD) файле [32].
Учитывая специфику работы с оборудование компании Siemens, затронем здесь
ещё один интерфейс – Multi-Point Interface (MPI). Данный интерфейс является закрытым стандартом, специально созданным для ПЛК Siemens Simatic S7. Интерфейс
реализуется на стандарте физического уровня RS-485, максимальная длина сегмента
сети – 50м. В интерфейсе MPI данные могут передаваться между ведущим и ведомым,
а также между двумя ведущими. Ограничение данного интерфейса – Point-to-Point
Interface (PPI), позволяет производить обмен данными только по принципу ведущийведомый. Именно интерфейс MPI можно считать предшественником открытого и
мощного PROFIBUS.
11.4
Сеть PROFINET
Сеть PROFINET является одним из вариантов Industrial Ethernet, решающем
задачи по обмену данными между устройствами автоматизации при условии работы в
режиме реального времени. В данном разделе будет дана краткая характеристика сети
PROFINET, основанная в первую очередь на описании PROFINET System Description
[33]. Также будет использована дополнительная литература [34], [35].
Существуют две коммуникационные концепции сети PROFINET:
•
PROFINET CBA – Component-Based Automation;
•
PROFINET IO – PROFINET Input/Output.
228
Концепция PROFINET IO используется для передачи данных в режиме реального
времени между полевыми устройствами. Концепция же PROFINET CBA используется
для передачи данных между контроллерами, как компонентами распределённой системы. Обе модели могут работать одновременно на одном устройстве с одной и той же
шиной. Рассмотрим подробнее эти протоколы и системы, построенные с их
использованием.
PROFINET IO
В отличие от шины PROFIBUS, здесь используются следующие понятия:
•
IO controller – контроллер ввода-вывода (аналог DP Master)
Данное устройство управляет задачами автоматизации.
•
IO device – устройство ввода-вывода (аналог DP Slave)
Данные устройства являются полевыми устройствами, которые
просматриваются и управляются контроллером ввода-вывода. Любое
устройство ввода-вывода может состоять из нескольких модулей и подмодулей.
•
PROFINET IO Supervisor – руководитель программного ввода-вывода
Базируется на ПК, используется для настройки параметров и диагностики
отдельных узлов системы.
Для работы в сети PROFINET IO, также, как и для шины PROFIBUS, каждое
устройство ввода-вывода описывается в Genaral Station Description (GSD) файле [32].
В сетях PROFINET поддерживаются два типа передачи данных:
•
ациклическая передача инженерной и диагностической информации и
прерываний;
•
циклическая передача данных пользователя (основной тип).
229
Как уже было выше сказано, протокол PROFINET IO не использует TCP/IP стек, а
реализует передачу данных в режиме реального времени. При этом в системе
возможны два варианта такого режима:
•
RT – Real-Time – режим реального времени для приложений с циклом 10мс и
выше;
•
ITR – Isochronous Real-Time – изохронный режим реального времени для
приложений с циклом менее 1мс [35].
Коммуникационные функции RT и IRT описываются стандартом IEC 61158.
Под термином «реальное время» понимается ситуация, когда система обрабатывает внешние события в рамках определённого интервала времени.
С точки зрения производительности системы наиболее оптимальным является
стандарт PROFINET IO with RT. Для работы с ним не требуется специального оборудования или сетей.
PROFINET CBA
Протокол PROFINET CBA позволяет создавать решения распределённой автоматизации, основанные на готовых компонентах и частных решениях.
Компоненты сети PROFINET CBA описываются с помощью PROFINET
Component Description (PCD) файла.
Кроме указанных протоколов в STEP 7 предоставляется возможность передачи
данных по открытым протоколам посредством Industrial Ethernet:
•
протоколы с установкой соединения: TCP (RFC 793) и ISO через TCP (RFC
1006):
◦ UTD65 «TCON_PAR» – структура данных для установки связи;
230
◦ FB65 «TCON» – функциональный блок для установки соединения;
◦ FB66 «TDISCON» – функциональный блок для разрыва соединения;
◦ FB63 «TSEND» – функциональный блок для передачи данных;
◦ FB64 «TRCV» – функциональный блок для приёма данных;
•
протоколы без установки соединения: UDP (RFC 768)
◦ UTD65 «RCON_PAR» – структура данных для установки параметров
локальной коммуникационной точки доступа;
◦ UTD66 «TCON_ADR» – структура данных для установки адресных
параметров для удалённого партнёра;
◦ FB65 «TCON» – функциональный блок для конфигурирования локальной
коммуникационной точки доступа;
◦ FB66 «TDISCON» – функциональный блок для закрытия локальной
коммуникационной точки доступа;
◦ FB67 «TUSEND» – функциональный блок для передачи данных;
◦ FB68 «TURCV» – функциональный блок для приёма данных.
Пример
настройки
интерфейсов
и
создания
конфигурации
системы,
работающей с протоколом PROFINET IO показан в таблице [33, с.82]. Отдельно с
помощью редактора топологии производится настройка конфигурации всей системы
PROFINET IO.
11.5
Работа с сетью ПЛК Siemens Simatic S7-200
Ранее в разделе 4 было дано описание дерева проекта, в котором находятся
элементы, позволяющие пользователю задать сетевые характеристики ПЛК. Сейчас
231
же будем рассматривать задачу по организации обмена данными ПЛК S7-200 с
другими устройствами-партнёрами.
11.5.1
Конфигурация ПЛК S7-200 для работы с сетью
Основными протоколами передачи данных для ПЛК Simatic S7-200 являются
PPI и MPI.
Использование PPI
Контроллеры S7-200 обычно являются ведомыми устройствами. Однако, в случае
использования привилегированного режима PPI контроллеры S7-200 могут выступать
как ведущие устройства и производить обмен данными с другими контроллерами S7200. При этом данный контроллер также может выступать в качестве ведомого для
другого ведущего ПЛК.
Кроме привилегированного режима PPI может быть использован также расширенный протокол PPI Advanced. Тогда устройства, находящиеся в сети, могут формировать между собой логические соединения. Ограничением данного режима является
небольшое количество таких соединений на каждый порт ПЛК: не более 4.
Использование MPI
В случае использования протокола MPI обмен данными с S7-200, работающими в
режиме ведущего, не возможен. Контроллеры S7-200 должны быть только ведомыми
устройствами. В дополнение, также, как и в случае с протоколом PPI Advanced накладываются ограничения на максимальное количество соединений на каждый порт: не
более 4.
232
Пример различных сетевых конфигураций с использованием протоколов PPI и MPI
приведён в [4, с.218-221].
Для того, чтобы ПЛК S7-200 могли производить обмен данными по сети,
необходимо в начале произвести настройку параметров коммуникационных портов.
Необходимы параметры могут быть установлены посредством редактирования
специальной памяти ПЛК:
•
SMB30 – параметры для порта 0;
•
SMB130 – параметры для порта 1;
Рассмотрим содержание данных байт памяти [4, с.473]:
•
SMB30.0, SMB30.1 – выбор протокола.
00 – PPI не привилегированный;
01 – свободно программируемый обмен данными;
10 – PPI привилегированный;
11 – резерв.
В режимах PPI разряды 2 – 7 игнорируются.
•
SMB30.2, SMB30.3, SMB30.4 – скорость передачи данных в режиме свободного
обмена данными.
000 – 38.4кБод
001 – 19.2кБод
010 – 9.6кБод
011 – 4.8кБод
100 – 2.4кБод
101 – 1.2кБод
110 – 115.2кБод
111 – 57.6кБод
•
SMB30.5 – количество бит данных на символ.
233
0 – 8 бит на символ;
1 – 7 бит на символ;
•
SMB30.6, SMB30.7 – выбор контроля чётности
00 – контроль чётности отсутствует;
01 – контроль по чётности;
10 – контроль по нечётности;
11 – контроль по нечётности.
Байт SMB130 имеет ту же структуру, что и SMB30.
Кроме указанных байт специальной памяти стоит также обратить внимание на
SMB86-SMB94 для порта 0, и SMB186-SMB194 для порта 1. С помощью этих ячеек
памяти осуществляется управление приёмом сообщений.
11.5.2
Случай свободно программируемого порта
Режим свободно программируемого порта предполагает самостоятельную
работу по приёму, передачи и расшифровки сообщений. В результате пользователь
получает возможность создания собственного или реализацию уже существующего
протокола передачи данных, отличающегося от PPI/MPI. Примерами таких протоколов могут быть Modbus или USS (для организации обмена данными с Micromaster).
Опишем этапы по созданию системы, использующей свободно программируемый порт:
1. Задание конфигурации порта записью необходимых данных в SMB30 (или
SMB130, если используется порт 1)
2. Задание параметров приёма сообщений SMB87 – SMB94.
234
3. Создание векторов обработки аппаратных прерываний для приёма и передачи
данных
Для передачи данных используется команда XMT. Для приёма данных используется
команда RCV.
При работе со свободно программируемым портом существует несколько
вариантов конфигурации системы. Подробное описание и примеры создания программы показаны в [4, с.88 – 96].
11.5.3
Использование PPI для передачи данных
Использование стандартных протоколов передачи данных облегчает как работу
разработчика, создающего программу для автоматизации, так и позволяет использовать весь функциональный набор ПЛК для решения задачи.
Как и в случае со свободно программируемым портом для обмена данными с
помощью привилегированного протокола PPI необходимо произвести начальную
конфигурацию портов. При этом стоит удостовериться, что необходимая конфигурация порта установлена не только на ведущем контроллере, но также и на ведомом.
Для обмена данными посредством PPI используются следующие инструкции:
•
NETR – инициирование коммуникационной операции по чтению данных из
устройства-партнёра;
•
NETW – инициирует коммуникационную операцию по записи данных в
устройство-партнёр.
В данном режиме можно передавать до 16Байт данных за один сеанс. Указанные
функции в качестве одного из входных параметров принимают адрес на непрерывную
область памяти размером до 23 байт, структура которой приведена ниже.
235
Таблица 11.5 ─ Структура таблицы параметров для чтения из сети и записи через сеть
Смещение
(Байт)
Описание
0
Байт состояния:
• бит 7 – D – флаг завершения операции
• бит 6 – A – флаг активности операции (операция в очереди)
• бит 5 – E – флаг ошибки (операция содержит ошибку)
• бит 4 = 0
• бит 3 – бит 0 – код ошибки
1
Адрес удалённой станции
2
3
4
Указатель на область данных в удалённой станции (может быть
следующего типа: I, Q, M,V)
5
6
Длина данных (от 1 до 16)
7
Байт данных 0
8
Байт данных 1
…
…
22
Байт данных 15
Коды ошибок, а также подробный пример программы с передачей и приёмом данных
приведены в [4, с.84, 86].
Кроме создания программы, где вручную производится необходимая конфигурация для обмена данными, существует возможность автоматизировать данный
процесс с помощью мастера «NETR/NETW». После окончания работы мастера в
проекте появляются подпрограммы, которые содержат необходимые команды.
11.6
Работа с сетью ПЛК Siemens Simatic S7-300/400
В данном разделе рассмотрим различные варианты взаимодействия ПЛК S7236
300/400 с другими контроллерами, а также распределённой периферией, подключаемой по шинам MPI, PROFIBUS DP и PROFINET IO.
11.6.1
Взаимодействие с ПЛК Siemens Simatic S7-200
Взаимодействие контроллеров старшего уровня S7-300/400 с контроллерами
младшей серии S7-200 достаточно сильно зависит от интерфейса, по которому
подключены контроллеры. Рассмотрим отдельные случаи.
Контроллер S7-200 без дополнительных модулей. Интерфейс MPI.
ПЛК S7-200 выступает в качестве ведомого устройства. Для обмена данными с ним
используются коммуникационные функции S7 – XPUT и XGET соответственно для
записи и чтения данных.
Контроллер S7-200 с модулем EM 277 PROFIBUS DP Slave
В данном случае конфигурация ПЛК S7-300/400 осуществляется стандартным
образом. В качестве устройства-партнёра выбирается EM 277 из каталога устройств
PROFIBUS DP во время сетевой настройки в NetPro, либо в HWConfig.
Контроллер S7-200 с модулем CP 243-1 Ethernet
Согласно документации*, обмен данными с модулем CP 243-1 производится с
использованием функций S7 – XPUT, XGET, а также READ и WRITE. Данный модуль
может быть настроен как клиент, либо как сервер.
*CP 243-1 communications processor for Industrial Ethernet and information technology.
Operating Instructions
237
CP 243-1 как клиент:
•
тип данных – только Byte;
•
только переменные могут быть доступны на локальной системе;
•
доступные области памяти для партнёра S7-200: I, Q, M, V;
•
доступные области памяти для партнёра S7-300/400: I, Q, M, области данных.
11.6.2
Обмен данными с использованием PROFIBUS
Рассмотрим основную задачу по созданию конфигурации, позволяющей
производить обмен данными через шину PROFIBUS DP [29, глава 3 и 4].
Пример конфигурации с одним ведущим устройством «PLC 1» (CPU 315F-2
PN/DP), показан на рисунке 11.2. В качестве ведомого устройства здесь выступает
контроллер «PLC 2» (CPU 313C-2DP), а также интерфейсный модуль IM 153-2.
Рисунок 11.2 ─ Сетевая конфигурация PROFIBUS DP с ведущим PLC 1, ведомым PLC 2, а
также модулем расширения IM 153-2
238
При создании конфигурации необходимо учесть, что ведущее устройство
добавляется в конфигурацию первым. Это позволяет создать шину PROFIBUS DP и
установить конфигурацию как «DP Master» (ведущее устройство). Затем в конфигурацию добавляется второй ПЛК с подключением на уже созданную шину в качестве
ведомого устройства «DP Slave» [29, глава 4]. Так как «PLC 2» имеет конфигурацию
ведомого устройства, то в его конфигурации обязательно задаются области памяти (I и
Q), которые будут доступны для ведущего устройства. Пример таблицы задания
областей памяти для обмена данными показан на рисунке 11.4 (однако на момент
конфигурации ведомого поля, определяющие ведущее устройство будут пустыми).
Рисунок 11.3 ─ Аппаратная конфигурация PLC 1. Показаны два устройствапартнёра на шине PROFIBUS DP
После введения в сетевую конфигурацию ведомого ПЛК необходимо перейти к
аппаратной конфигурации ведущего ПЛК – рисунок 11.3. В первоначальном виде
шина PROFIBUS DP не будет иметь никаких подключений.
239
Чтобы добавить «PLC 2» в сетевую конфигурацию PROFIBUS DP, необходимо
навести курсор мыши и вызвать контекстное меню нажав правую кнопку мыши. В
меню нужно выбрать пункт добавления объекта и далее из списка выбрать раздел
сконфигурированных контроллеров, в котором будет указано устройство «31x». Далее
необходимо вызвать окно свойств для появившегося объекта и на вкладке «Coupling»
произвести подключение к ведомому устройству. Далее перейти на вкладку
«Configuration» и произвести настройку областей памяти уже на стороне ведущего,
как показано на рисунке 11.4.
Рисунок 11.4 ─ Конфигурация областей обмена
данными между ведущим и ведомым устройствами
Отметим важную особенность. Таблица, в которой задаются области памяти
для обмена по шине PROFIBUS DP всегда принадлежит ведомому устройству.
Также, как и «PLC 2», в аппаратную конфигурацию ведущего («PLC 1»)
добавляется интерфейсный модуль IM 153-2 с дополнительными модулями вводавывода, как показано на рисунке 11.5.
240
Рисунок 11.5 ─ Аппаратная конфигурация интерфейсного модуля, являющегося
ведомым на шине PROFIBUS DP
Из рисунка видно, что адресное пространство модулей ввода-вывода выбирается автоматически таким образом, чтобы оно не пересекалось с уже используемым
адресным пространством для «PLC 2».
После создания данной конфигурации и записи её в указанные устройства в
программе для «PLC 1» можно использовать указанные адреса для чтения и записи
данных. При этом могут использоваться различные функции и функциональные
блоки. Например, SFC14/SFC15 для чтения и записи консистентных данных.
11.6.3
Обмен данными с использованием PROFINET
В приведённой выше общей информации о сети PROFINET было сказано о
241
циклической работе сети в режиме реального времени. В соответствии с этим один из
возможных подходов – произвести настройку ПЛК на работу в режиме PROFINET IO
with RT (либо IRT) и указать необходимые устройства-партнёры [34]. Обмен данными
с ними будет производится автоматическим образом. Пример сетевой конфигурации
для ПЛК CPU 315F-2 PN/DP с дополнительным интерфейсным модулем,
подключённым по сети PROFINET IO показан на рисунке 11.6.
Рисунок 11.6 ─ Сетевая конфигурация ПЛК S7-300 с использованием PROFINET IO и
интерфейсным модулем IM 153-4PN
Чтобы создать данную сетевую конфигурацию, необходимо запустить аппаратный редактор HWConfig для ПЛК, который выполняет роль
контроллера ввода-
вывода. Как и в случае с конфигурацией шины PROFIBUS DP, необходимо вызвать
контекстное меню для сети PROFINET IO и выбрать пункт добавления устройства и
указать соответственно IM 153-4PN из раздела «PROFINET IO» библиотеки устройств
(располагается в правой части). В результате получим конфигурацию, показанную на
рисунке 11.7.
После этого производится добавление в конфигурацию модуля
устройств ввода-вывода, как показано на рисунке 11.8.
242
Рисунок 11.7 ─ Аппаратная конфигурация S7-300 с подключённым к
шине PROFINET IO устройством-партнёром
Рисунок 11.8 ─ Конфигурация модулей ввода-вывода, подключённых
к CPU 315F-2 PN/DP через сеть PROFINET IO
243
После создания аппаратной конфигурации в программе ПЛК (CPU 315F-2
PN/DP) можно использовать указанные адреса (см. рисунок 11.8) для чтения и записи
данных.
11.7
Применение технологии OPC
Рассмотренные выше примеры промышленных сетей и задач автоматизации на
их основе в связи со своей спецификой имеют одно значительное ограничение –
отсутствие совместимости с приложениями, работающими на персональных компьютерах и серверах. Кроме этого большое количество различных стандартов и протоколов в промышленных сетях сделали бы задачу создания как интерфейсных устройств,
так и драйверов достаточно трудоёмкой, не говоря уже о том, что при смене
устройства пришлось бы изменять программу пользователя.
Для устранения подобных проблем было предложено решение по разработке
специальной службы, которая обеспечивала бы с одной стороны связь с устройствами
промышленной автоматизации, а с другой – универсальный способ описания данных
и доступа к ним из приложений пользователей. Впервые данная технология была
разработана для ОС Windows и получила название «OLE for Process Control» (OPC).
Соответствующая системная служба называется OPC-сервером.
11.7.1
Общие сведения
В настоящее время разработкой стандартов, предоставляющих единый интерфейс для взаимодействия со средствами автоматизации занимается некоммерческая
организация OPC Foundation (создана в 1994). На данный момент существует десять
стандартов от самого первого, являющегося классическим, OPC DA, до самого новейшего и мощного, представленного в 2006 году OPC UA. Список данных стандартов и
244
их общее описание приведено в таблице 8.1. Типовая структурная схема системы,
использующей OPC-сервер, показана на рисунке 11.9.
Таблица 11.6 ─ Существующие группы стандартов, реализующие универсальный интерфейс
Стандарт
OPC Data Access
(OPC DA)
Описание
Группа «классических» стандартов описывающих
спецификации по передаче данных реального времени из
устройств сбора данных (ПЛК) к дисплеям и устройствам
типа человеко-машинного интерфейса. При этом
стандарты ориентированы на непрерывную передачу
данных. Стандарт не поддерживает сохранённые данные
(historical data) и данные событий и сигналов тревоги
(alarm & events).
Стандарт определяет три параметра для данных:
• value – значение;
• quality – качество значения;
• timestamp – временная метка.
OPC Alarm and Events
(OPC AE)
Стандарты для передачи данных событий и сигналов
тревоги по требованию, в отличие от непрерывной
передачи данных в OPC DA.
OPC Batch
Стандарты для работы с пакетными процессами,
отвечающими за шаговое и рецептурное управление
технологическими процессами.
OPC Data eXchange
(OPC DX)
Группа стандартов предоставляет спецификации обмена
данными между OPC-серверами через сеть Ethernet.
Стандарты также позволяют производить удалённую
конфигурацию, диагностику, мониторинг и управление
соединениями.
OPC Historical Data Access
Стандарты для связи с сохранёнными данными.
(OPC HDA)
OPC Security
Стандарты, позволяющие производить управление
доступом клиентов к OPC-совместимым устройствам.
OPC XML-DA
Стандарты основаны на спецификациях OPC DA для
передачи данных в формате XML. Включают в себя
SOAP и Web-службы.
OPC Complex Data
(OPC CD)
Стандарты для передачи сложных типов данных, как,
например, бинарные или XML данные.
245
Стандарт
Описание
OPC Commands
Стандарты для передачи команд управления устройствам
и системам.
Новый набор стандартов, включающий в себя все
OPC Unified Architecture предыдущие стандарты. Одна из важных особенностей –
(OPC UA)
кроссплатформенность. То есть стандарт не связан
жёстко с какой-либо конкретной операционной системой.
ПЛК
Устройство
автоматизации
Полевая шина/сеть
PC
Приложение
OPCсервер
OPCклиент
Рисунок 11.9 ─ Структурная схема взаимодействия
устройств автоматизации, OPC-сервера и приложения
пользователя
11.7.2
Создание OPC-сервера на базе WinCC Flexible
При рассмотрении задачи создания системы человеко-машинного интерфейса в
разделе 5 было уделено внимание системе WinCC Flexible. Данная система позволяет
создать интерфейс оператора и реализовать функции ЧМИ на базе различных панелей
и устройств индикации Siemens. Кроме работы с физическими устройствами данная
система позволяет создавать также виртуальные панели управления, работающие на
персональном компьютере. Данные виртуальные панели ввиду отсутствия аппаратных
ограничений имеют полный набор функций. Одной из таких функций является работа
в качестве OPC-сервера.
246
Для создания виртуальной панели оператора необходимо при создании проекта
в окне выбора типа панели (см. рисунок 5.4) указать «WinCC flexible Runtime». После
создания мастером проекта по умолчанию необходимо открыть вкладку «Device
Settings», в которой указаны параметры устройства, которые могут быть изменены, и
установить маркер «Act as OPC server», как показано на рисунке 11.10.
Рисунок 11.10 ─ Установка параметров виртуальной панели для работы в качестве OPCсервера
После этого необходимо установить связь с устройствами автоматизации,
данные которых необходимо будет обрабатывать, а также задать тэги для этих данных
(см. раздел 5.2). Помимо этого на экране можно также создавать поля для вводавывода данных, устанавливать различные объекты и действия. Закончив работу с
проектом необходимо записать микропрограмму данного проекта в специальный
Rintime-модуль «WinCC flexible», вызвав загрузчик, как показано на рисунках 11.11 и
11.12.
247
Рисунок 11.11 ─ Программы WinCC flexible для
работы в режиме Runtime
Рисунок 11.12 ─ Загрузчик
Runtime программ
После загрузки и запуска появится окно виртуальной панели, которая будет
работать не только в качестве панели оператора, но и как OPC-сервер.
11.7.3
Общие сведения о SCADA-системах
При разработке систем автоматизации предприятиями, которые насчитывают
большое количество установок, становится актуальной задача переноса данных,
которые могут быть показаны на локальных системах человеко-машинного интерфейса, на одну глобальную систему управления и мониторинга. В данном случае это
один из наивысших уровней управления технологическими процессами. Такие
системы получили название SCADA-систем. Аббревиатура расшифровывается как
«Supervisory Control And Data Acquisition» и означает диспетчерское управление и
сбор данных. Большинство SCADA-систем в силу спицифики являются клиентами
OPC-серверов. Некоторые из них сами имеют встроенные OPC-серверы.
SCADA-системы являются многокомпонентными и часто содержат следующие
подсистемы:
•
драйверы (серверы) ввода-вывода, обеспечивающие взаимодействие с
248
системами автоматизации нижнего уровня;
•
системы реального времени, которые обеспечивают работу по жёсткому
временному циклу;
•
системы человеко-машинного интерфейса;
•
базы данных, позволяющие сохранять данные о процессах, событиях и
сигналах в режиме реального времени;
•
системы управления событиями и сигналами тревоги;
•
интерфейсы для обеспечения связи с приложениями пользователей
Один из примеров простой SCADA-системы показан на рисунке 11.13.
Рисунок 11.13 ─ Диспетчерский графический интерфейс SCADA-системы для
станции фильтрации Festo MPS PA
В последнее время в связи с распространённостью и возрастающей функциональностью web-приложений стали создаваться так называемые Web-SCADA249
системы, управление (по крайней мере частичное) в которых реализовано через webинтерфейс (с использованием браузера). Пример такого интерфейса показан на
рисунке 11.14.
Рисунок 11.14 ─ Web-интерфейс системы мониторинга модели сборочного производством
Festo MPS500
11.8
Контрольные вопросы
1. Дайте общую характеристику промышленных сетей. В чём отличия от
классических сетей?
2. Приведите названия и краткие характеристики существующих широко
распространённых промышленных сетей (стандартов).
3. Дайте краткую характеристику сетевой модели OSI.
250
4. Дайте краткую характеристику стандарта RS-485.
5. Дайте краткую характеристику шины PROFIBUS.
6. Какие типы сети PROFIBUS существуют? Дайте краткие характеристики.
7. Дайте краткую характеристику сети PROFINET
8. Какие протоколы PROFINET существуют? Дайте краткие характеристики.
9. Почему стандартные протоколы сетей Ethernet не подходят для работы с
промышленными системами автоматизации?
10. Какие существуют способы передачи данных между ПЛК S7-200 и другими
устройствами?
11. Что такое свободно программируемый порт ПЛК S7-200?
12. Каким образом можно осуществлять передачу данных между двумя ПЛК S7200?
13. Опишите особенности коммуникации между ПЛК S7-200 и ПЛК S7-300/400
(без использования коммуникационных модулей расширения для ПЛК S7-200).
14. Каким образом производится обмен данными между ПЛК S7-300/400
посредством PROFIBUS DP?
15. Каким образом производится обмен данными между ПЛК S7-300/400 и
станциями расширения ET200 с использованием PROFIBUS DP?
16. Каким образом производится обмен данными между устройствами вводавывода и ПЛК S7-300/400 при использовании PROFINET IO?
17. Что такое технология OPC?
18. Какой самый распространённый стандарт OPC? Каковы его ограничения?
19. Приведите ограничения технологии OPC.
20. Какой стандарт OPC является наиболее универсальным?
21. Опишите структуру взаимодействия приложения и промышленных устройств
251
при использовании технологии OPC.
22. Каким образом создаётся OPC-сервер с использованием WinCC flexible?
23. Что такое SCADA системы?
252
12
12.1
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ. ЧАСТЬ III
Лабораторная работа №5. Обмен данными в промышленных
сетях MPI/PROFIBUS и PROFINET
Цель работы:
Целью работы является изучение принципов обмена данными в промышленной сети,
построенной на базе MPI/PROFIBUS DP и имеющей в своём составе ПЛК Siemens
Simatic S7-200, S7-300.
Задача:
В рамках данной работы необходимо решить следующие задачи:
1. организация обмена данными между двумя и более ПЛК
1.1.
создать рабочую конфигурацию обмена данными между ПЛК S7-200
↔ S7-200 с использованием MPI
1.2.
создать рабочую конфигурацию обмена данными между ПЛК S7-200
↔ S7-300 с использованием MPI
1.3.
создать рабочую конфигурацию обмена данными между ПЛК S7-300
↔ S7-300 с использованием MPI
1.4.
создать рабочую конфигурацию обмена данными между ПЛК S7-300
↔ S7-300 с использованием PROFIBUS DP
1.5.
создать рабочую конфигурацию обмена данными между ПЛК S7-300
↔ S7-300 с использованием PROFINET
При решении каждой задачи предполагается, что осуществляется передача всех
возможных типов данных (бит, Байт, Слово, Двойное Слово, строка, массив, …).
253
Для формирования передаваемых данных, управления режимом передачи и
индикации результатов каждая система должна иметь в своём составе сенсорную
панель управления оператора.
Этапы выполнения работы:
1. Определить компоненты и структуру разрабатываемой системы. Дать
обоснование предложенной структуре.
2. Определить функции, выполняемые каждым компонентом системы.
3. Согласно структурной схеме и набору функций разработать обобщённый
алгоритм (функциональную схему) работы системы.
4. В соответствии с обобщённым алгоритмом и набором функций составить эскиз
интерфейса оператора (ЧМИ).
5. Составить список переменных, которые будут использоваться в системе ЧМИ.
6. Определить параметры аппаратной и программной конфигурации всех
устройств, задействованных в передаче данных по сети.
7. Составить блок-схему алгоритма программы (с учёном особенностей
функционирования ПЛК).
8. Составить таблицу соответствия ячеек памяти ПЛК полному списку
переменных.
9. Составить программу для ПЛК, а также проект для системы ЧМИ.
10. Произвести тестирование работы системы. Определить ошибки/недостатки,
внести изменения в алгоритм, программу (интерфейс) и повторить этап.
254
Используемое аппаратное обеспечение:
•
PLC Siemens Simatic S7-200 CPU 224XP (6ES7 214-2AD23-0XB0);
•
PLC Siemens Simatic S7-300 CPU 315F-2PN/DP (315-2FH13-0AB0);
•
PLC Siemens Simatic S7-300 CPU 313C-2DP (313-6CF03-0AB0);
•
Сигнальный модуль AI4/AO2x8bit SM-334 (334-0CE01-0AA0);
•
Сигнальный модуль DO8xDC24V/2A SM-322 (334-1FB01-0AA0);
•
Siemens Simatic HMI Touch Panel TP177 micro;
•
Siemens Simatic HMI Touch Panel TP177 color PN/DP;
•
Siemens USB-PPI Multi-Master Cable;
•
Персональный компьютер с USB-портом.
Используемое программное обеспечение:
•
Siemens STEP7-Micro/Win;
•
Siemens Simatic Manager (в составе пакета Siemens STEP7);
•
OPC-сервер для Siemens Simatic S7-200 PC-access;
•
Siemens Simatic WinCC Flexible 2007 micro;
•
Siemens Simatic WinCC Flexible 2007 Advanced.
Используемая документация:
•
Simatic Программируемый контроллер S7-200. Системное руководство.
Издание 06/2004;
•
WinCC flexible 2004 Micro. Руководство пользователя, редакция 03/2004;
•
Simatic HMI. WinCC flexible 2007 Compact/Standard/Advanced. User's Manual;
255
•
Simatic. Компоненты систем комплексной автоматизации. Каталог ST70-2007
•
Simatic. S7-300 Programmable Controller. Quick Start. Primer (№ C79000-G7076C500-01);
•
Simatic. Ladder Logic (LAD) for S7-300 and S7-400 Programming. Manual (№
C79000-G7076-C504-02);
•
Материалы по промышленным сетям;
•
Сети. Simatic NET. PRIFIBUS DP. Руководство;
•
Simatic NET. PROFIBUS Network Manual. System Manual (Edition 04/2009
C79000-G8976-C124-03);
•
Simatic. PROFINET System Description. System Manual (06/2008 A5E0029828804);
•
Simatic. PROFINET IO. From PROFIBUS DP to PROFINET IO. Programming
Manual;
•
PROFINET IO — Development Kit V 3.0.0.0. User interface description;
•
Материалы лекций по курсу «Современная промышленная электроника».
256
12.2
Лабораторная работа №6. Взаимодействие ПЛК с персональным
компьютером на базе технологии OPC
Цель работы:
Целью работы является изучение принципов обмена данными в промышленной сети,
построенной на базе MPI/PROFIBUS DP и имеющей в своём составе ПЛК Siemens
Simatic S7-200, S7-300, а также OPC-серверы.
Задача:
В рамках данной работы необходимо решить следующие задачи:
1. создать рабочую конфигурацию OPC-сервера для связи с ПЛК (S7-200, S7-300);
2. обеспечение работы OPC-сервера как эхо-сервера (Echo-Server) для
подтверждения передачи данных от клиента (контроллера) к серверу и обратно;
3. разработать программу-клиент, демонстрирующую передачу данных
контроллер-персональный компьютер с использованием технологии OPC.
При решении задачи предполагается, что осуществляется передача всех возможных
типов данных (бит, Байт, Слово, Двойное Слово, строка, массив, …).
Для формирования передаваемых данных, управления режимом передачи и
индикации результатов каждая система должна иметь в своём составе сенсорную
панель управления оператора.
При решении поставленных задач в работе должны использоваться следующие OPCсерверы:
•
PC Access – OPC-сервер для связи с ПЛК Siemens Simatic S7-200;
257
•
WinCC Flexible Advanced /Runtime – создание виртуальной панели с функцией
OPC-сервера
Этапы выполнения работы:
1. Определить компоненты и структуру разрабатываемой системы. Дать
обоснование предложенной структуре.
2. Определить функции, выполняемые каждым компонентом системы.
3. Согласно структурной схеме и набору функций разработать обобщённый
алгоритм (функциональную схему) работы системы.
4. В соответствии с обобщённым алгоритмом и набором функций составить эскиз
интерфейса оператора (ЧМИ).
5. Составить список переменных, которые будут использоваться в системе ЧМИ.
6. Определить параметры аппаратной и программной конфигурации всех
устройств, задействованных в передаче данных по сети.
7. Составить блок-схему алгоритма программы (с учёном особенностей
функционирования ПЛК).
8. Составить таблицу соответствия ячеек памяти ПЛК полному списку
переменных.
9. Разработать общую блок-схему программы (приложения) пользователя.
10. Составить программу для ПЛК, а также проект для системы ЧМИ.
11. Составить программу пользователя, демонстрирующую обмен данными между
контроллером и персональным компьютером;
12. Произвести тестирование работы системы. Определить ошибки/недостатки,
внести изменения в алгоритм, программу (интерфейс) и повторить этап.
258
Используемое аппаратное обеспечение:
•
PLC Siemens Simatic S7-200 CPU 224XP (6ES7 214-2AD23-0XB0);
•
PLC Siemens Simatic S7-300 CPU 315F-2PN/DP (315-2FH13-0AB0);
•
PLC Siemens Simatic S7-300 CPU 313C-2DP (313-6CF03-0AB0);
•
Сигнальный модуль AI4/AO2x8bit SM-334 (334-0CE01-0AA0);
•
Сигнальный модуль DO8xDC24V/2A SM-322 (334-1FB01-0AA0);
•
Siemens Simatic HMI Touch Panel TP177 micro;
•
Siemens Simatic HMI Touch Panel TP177 color PN/DP;
•
Siemens USB-PPI Multi-Master Cable;
•
Персональный компьютер с USB-портом.
Используемое программное обеспечение:
•
Siemens STEP7-Micro/Win;
•
Siemens Simatic Manager (в составе пакета Siemens STEP7);
•
OPC-сервер для Siemens Simatic S7-200 PC-access;
•
Siemens Simatic WinCC Flexible 2007 micro;
•
Siemens Simatic WinCC Flexible 2007 Advanced.
Используемая документация:
•
Simatic Программируемый контроллер S7-200. Системное руководство.
Издание 06/2004;
•
WinCC flexible 2004 Micro. Руководство пользователя, редакция 03/2004;
259
•
Simatic HMI. WinCC flexible 2007 Compact/Standard/Advanced. User's Manual;
•
Simatic. Компоненты систем комплексной автоматизации. Каталог ST70-2007
•
Simatic. S7-300 Programmable Controller. Quick Start. Primer (№ C79000-G7076C500-01);
•
Simatic. Ladder Logic (LAD) for S7-300 and S7-400 Programming. Manual (№
C79000-G7076-C504-02);
•
Материалы по промышленным сетям;
•
Сети. Simatic NET. PRIFIBUS DP. Руководство;
•
Simatic NET. PROFIBUS Network Manual. System Manual (Edition 04/2009
C79000-G8976-C124-03);
•
Simatic. PROFINET System Description. System Manual (06/2008 A5E0029828804);
•
Simatic. PROFINET IO. From PROFIBUS DP to PROFINET IO. Programming
Manual;
•
PROFINET IO — Development Kit V 3.0.0.0. User interface description;
•
Материалы лекций по курсу «Современная промышленная электроника».
260
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Настоящее пособие написано авторами, с одной стороны, исходя из наиболее
актуальных задач в области современных систем автоматизации, а с другой, с учётом
опыта проведения занятий по ряду дисциплин, в рамках которых студенты работают с
электронными устройствами промышленной автоматизации. Поскольку технические
характеристики подобных систем находятся в процессе постоянного совершенствования, а многообразие доступных решений весьма велико, целью настоящей
работы являлось не только и не столько ознакомление с конкретными устройствами,
сколько объяснение принципов построения алгоритмов, разработки архитектуры,
физических основ работы на примерах известных устройств Siemens Simatic. Особое
внимание уделяется формированию навыков работы с официальной документацией:
международными и государственными стандартами в проблемных областях;
данными, предоставляемыми разработчиками и производителями оборудования;
отраслевым регламентам и рекомендациям.
Учебное пособие дополняет курс лекций по дисциплине «Современная
промышленная электроника», а также может использоваться для самостоятельного
изучения компонентов промышленной автоматизации и комплексных систем на их
основе совместно с документацией производителей.
261
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Петров И.В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и приёмы
прикладного программирования / Под.ред. проф. В.П. Дьяконова. – М.: СолонПресс, 2004. – 256 с.: ил. – (Серия «Библиотека инженера»). – ISBN 5-98003-0794.
2. ГОСТ Р 51840–2001 (МЭК 61131–1–92). Программируемые контроллеры. Общие
положения и функциональные характеристики. – Принят 24.12.2001. – Введён
впервые. – М.: Издательство стандартов, 2002. –16 с.
3. Минаев И.Г. Программируемые логические контроллеры: практическое
руководство для начинающего инженера. / И.Г. Минаев, В.В. – Ставрополь:
Аргус, 2009. – 100 с.
4. SIMATIC. Программируемый контроллер S7-200. Системное руководство.
(№ 6ES7298-8FA24-8BH0). – 2004. – 498 c.
5. SIMATIC S7-1500. Программируемый контроллер нового поколения. Обзор. –
2012. – 59 с. – URL: www.siemens.ru/S7-1500
6. ГОСТ 5237-83 (СТ СЭВ 3893-82). Аппаратура электросвязи. Напряжения
питания и методы измерений. – Введён в действие 01.01.1985. – Дата последнего
изменения 20.07.2010. – М. – 10 с.
7. ГОСТ 29322-92 (МЭК 38-83). Стандартные напряжения. – Утверждён 26.03.1992.
– Введён впервые. – М. : Издательство стандартов, 1992. – 8 с.
8. ГОСТ Р МЭК 60950-2002 (МЭК 60950:1999). Безопасность оборудования
информационных технологий. – Введён в действие 01.10.2002. – Введён впервые.
– М. : Госстандарт России. – 177 с.
9. ГОСТ Р 50462-2009 (МЭК 60446:2007). Базовые принципы и принципы
безопасности для интерфейса «человек-машина», выполнение и идентификация.
Идентификация проводников посредством цветов и буквенно-цифровых
обозначений. – Принят 18.03.2010. – М.. : Стандартинформ, 2010. – 20 с.
262
10. SIMATIC HMI. HMI device OP 73micro, TP 177micro (WinCC flexible). Operating
Instructions (6AV6691-1DF01-0AB0). – 2007. – 188 с.
11. WinCC flexible 2004 Micro. Руководство пользователя (6AV6691-1AA01-0AB0). –
2004
12. SIMATIC HMI. WinCC flexible 2007 Compact/Standard/Advanced. User's Manual
(6AV6691-1AB01-2AB0). – 2007. – 454 c.
13. SIMATIC HMI. WinCC flexible 2008 Compact/Standard/Advanced. User's Manual
(6AV6691-1AB01-3AB0). – 2008. – 466 c.
14. MICROMASTER 440. Руководство по эксплуатации. Документация пользователя
(6SE6400-5СA00-0ВP0). – Издание А1. – 2001. – 140 с.
15. SIMATIC. S7-300 Programmable Controller. Quick Start. Primer (C79000-G7076C500-01). – 1996. – 82 p.
16. SIMATIC. Программируемый контроллер S7-300. Данные CPU, CPU 31xC и 31x.
Справочное руководство (6ES7 398-8FA10-8AA0). – 2002. – 179 с.
17. SIMATIC. Система автоматизации S7-300. Данные модулей (6ES7398-8FA108BA0). – 2006. – 524 с.
18. SIMATIC. S7-400 and M7-400 Programmable Controllers. Hardware and Installation.
Installation Manual (6ES7498-8AA03-8BA0). – 2002. – 316 p.
19. SIMATIC. Automation System S7-400. Hardware and Installation. Installation Manual
(6ES7498-8AA05-8BA0). – 2006. – 228 p.
20. SIMATIC. Automation System S7-400. CPU Specifications. Reference Manual
(6ES7398-8AA03-8BA0). – 2002. – 150 p.
21. SIMATIC. High-availability systems S7-400H. System Manual (A5E00267695-09). –
2011. – 402 p.
22. SIMATIC. Automation System S7-400. Module Specifications. Reference Manual
(6ES7498-8AA05-8BA0). – 2006. – 440 p.
263
23. SIMATIC. Fault-tolerant systems S7-400H. System Manual (A5E00267695-07). –
2010. – 402 p.
24. SIMATIC. Industrial Software. S7 F/FH Systems – Configuring and Programming.
Programming and operating manual (A5E00085588-06). – 2009. – 430 p.
25. SIMATIC. S7-400. S7-400 Automation System. CPU Specification. Manual
(6ES7498-8AA05-8AA0). – 2010. – 342 p.
26. SIMATIC. Программирование с помощью Step 7 v5.3: Руководство.
(A5E00261405-01). – Редакция 01/2004. – 602 c.
27. SIMATIC. Системные и стандартные функции для S7-300 и S7-400. Справочное
руководство. В двух томах (6ES7810-4CA08-8BW1). – 2006. – 843 с.
28. PROFIBUS Specification/ Normative Parts of PROFIBUS -FMS, -DP, -PA according
to the European Standard EN 50 170 Volume 2. – Edition 1.0. – March 1998. – 924 p.
29. Сети. SIMATIC NET. PROFIBUS-DP. Руководство. – 2001. – 202 с.
30. SIMATIC NET. PROFIBUS Networks. Manual (6GK1970–5CA20–0AA1). – Release
2. – 2000. – 490 p.
31. SIMATIC NET. PROFIBUS Network Manual. System Manual (C79000-G8976-C12403). – 2009. – 350 p.
32. Device Description Data Files GSD/ EN 50 170. – Vol 2. – Version 1.1. – August 1999.
– 40 p.
33. SIMATIC. PROFINET. System Description. System Manual (A5E00298288-04). –
2008. – 182 p.
34. SIMATIC. PROFINET IO. ПЕРВЫЕ ШАГИ: СБОРНИК (A5E00329019-03). –
2006. – 74 с.
35. SIMATIC. Isochrone Mode. Function Manual (A5E00223279-02). – 2006. – 74 p.
264
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Структура отчёта о лабораторной
работе
I. Титульный лист
II. Основная часть
1 Задание
2 Общий алгоритм решения задачи
(структурная схема разрабатываемой системы, обобщённое описание
функционального назначения и связей между элементами)
3 Программирование промышленного ПЛК
3.1
Аппаратная конфигурация ПЛК
3.2
Алгоритм программы
(блок-схема алгоритма)
3.3
Список используемых ячеек памяти
(в виде таблицы с подробным описанием)
3.4
Листинг программы
(сопроводить комментариями)
4 Программирование человеко-машинного интерфейса (ЧМИ)
4.1
Аппаратная и программная конфигурация
4.2
Визуальное представление интерфейса пользователя
(изображение интерфейса с кратким описанием)
4.3
Список тэгов
(в виде таблицы с указанием назначения каждого тэга)
4.4
Описание событий для элементов интерфейса пользователя
(указываются действия для всех элементов интерфейса)
5 Заключение
(указать: что делали, что получили, особенности решения задачи)
III. Приложения
(дополнительные листинги программ, технических данных, описаний - по
необходимости).
265
ПРИЛОЖЕНИЕ B. Список тем курсовых работ
1. Организация обмена данными между программой пользователя на ЭВМ и ПЛК
SIEMENS Simatic S7-200 с использованием технологии OPC;
2. Организация обмена данными между программой пользователя на ЭВМ и ПЛК
SIEMENS Simatic S7-300 с использованием технологии OPC;
3. Организация параллельных вычислений на базе сети промышленных
контроллеров серии Simatic S7-200;
4. Организация параллельных вычислений на базе иерархической сети
промышленных контроллеров серии Simatic S7-200 и S7-300;
5. Решение систем линейных дифференциальных уравнений на базе
иерархической сети промышленных контроллеров серии Simatic S7-200 и
Simatic S7-300;
6. Разработка системы управления асинхронным двигателем с использованием
ПЛК SIEMENS Simatic S7-200 с реализацией ручного и автоматического
режимов работы;
7. Разработка системы управления асинхронным двигателем с использованием
ПЛК SIEMENS Simatic S7-300 с реализацией ручного и автоматического
режимов работы;
8. Разработка распределённой системы управления электрическим приводом с
использованием ПЛК SIMENS Simatic S7-200 и S7-300 в качестве ведущего
устройства;
9. Разработка системы контроля уровня жидкости в резервуаре с использованием
промышленных датчиков полевого уровня на шине PROFIBUS PA и ПЛК
SIEMENS Simatic S7-300;
10. Разработка системы контроля давления и температуры жидкости в резервуаре с
266
использованием промышленных датчиков полевого уровня на шине PROFIBUS
PA и ПЛК SIEMENS Simatic S7-300;
11. Построение отказоустойчивых промышленных систем сбора данных с
использованием датчиков полевого уровня на шине PROFIBUS PA и ПЛК с
системой резервирования SIEMENS Simatic S7-400H;
12. Построение гибридной иерархической промышленной сети с использованием
ПЛК SIEMENS Simatic S7-200, S7-300 и S7-400H для мониторинга и
управления технологическими процессами с пультом оператора на ЭВМ;
13. Разработка системы климатического контроля в промышленных помещениях с
использованием ПЛК SIEMENS Simatic S7-200;
14. Разработка системы климатического контроля в промышленных помещениях с
использованием ПЛК SIEMENS Simatic S7-300;
15. Разработка аппаратно-ориентированной подсистемы полевого уровня для
интеллектуальных промышленных систем управления на основе
многоагентного подхода с использованием ПЛК SIEMENS Simatic CPU313C.
267