S7-1200 i TIA Portal. Część 1: Konfiguracja PLC

Rys. 1. Sterownik Simatic S7 1200, zasilacz i moduł wejść/wyjść analogowych

Obecnie obejmuje ono pakiety SD7 v. 11 do konfiguracji i programowania sterowników PLC oraz Win-CC v. 11 do projektowania wizualizacji i obsługi paneli operatorskich. Drugą z istotnych nowości jest modułowy sterownik przemysłowy Simatic S7-1200 do zastosowania w małych i średniej wielkości aplikacjach, charakteryzujący się uniwersalną konstrukcją, elastyczną konfiguracją i dużą wydajnością obliczeniową przy niewielkich wymiarach.

W bieżącym i kolejnych artykułach przedstawimy krótką charakterystykę tych produktów oraz sposoby konfiguracji sterownika S7-1200 i konfiguracji panelu operatorskiego (KTP600) do obsługi sterownika. Cały projekt zostanie zrealizowany z wykorzystaniem oprogramowania TIA Portal.

Środowisko programistyczne TIA Portal

Rys. 2. Schemat podłączenia sterownika

W ramach opracowywania koncepcji TIA analizowano wiele typowych zastosowań inżynierii oprogramowania w automatyce i oceniano wymogi stawiane systemom automatyki przez klientów. Nowy szkielet oprogramowania TIA Portal umożliwia rozwój i sprawdzanie poprawności działania projektów szybko i intuicyjnie, eliminując tradycyjną czasochłonną i kosztowną integrację oddzielnych pakietów do programowania, diagnostyki i wizualizacji.

W ten sposób sterowniki PLC z rodziny Simatic S7 oraz panele HMI (w przyszłości też napędy Sinamics) mogą być konfigurowane i nadzorowane z wykorzystaniem jednolitego środowiska. Obecnie zintegrowane są w nim aplikacje Step 7 (programowanie PLC) oraz WinCC (wizualizacja i obsługa paneli operatorskich), pomiędzy którymi umożliwiono scentralizowaną wymianę danych.

Parametry urządzeń, bloki, etykiety i wiadomości są wspólne dla wszystkich urządzeń. Ponieważ użytkownicy mogą z łatwością znaleźć zmienne i bloki programu wykorzystywane w całym projekcie, czas diagnostyki i rozwiązywania problemów staje się krótszy. Środowisko TIA Portal zawiera także narzędzia do tworzenia nowych bib liotek obiektów (zmiennych procesowych, najczęściej wykorzystywanych funkcji, np. PID) i grafik (elementów wizualizacji procesu).

Rys. 3. Widok portalu

Istnieje możliwość łatwego przenoszenia już istniejących aplikacji wykorzystujących sterowniki Simatic i panele HMI do nowych projektów w TIA Portal. Obecnie w środowisku TIA Portal jest dostępne oprogramowanie Step 7 V11 w dwóch wersjach: Basic dla sterowników S7-1200 oraz Professional dla sterowników Simatic S7-1200/300/400 i sterowników typu soft PLC opartych na oprogramowaniu Simatic WinAC.

Obie wersje Step7 V11 zawierają aplikację Simatic WinCC Basic V11 przeznaczoną do konfiguracji paneli operatorskich Simatic HMI Basic Panel. Oprogramowanie Step7 Professional V11 zawiera wbudowane edytory języków STL, LAD, FBD, S7-SCL i S7-Graph. Znane dotychczas ze Step7 dodatkowe pakiety programowe są zintegrowane w Step7 Professional V11 i nie wymagają dodatkowych licencji.

Z kolei oprogramowanie WinCC V11 stosowane w TIA Portal pozwala na projektowanie paneli operatorskich rodziny Basic, Mobile Panel, Multi Panel i Comfort Panel oraz systemów obsługi SCADA na komputerach PC. Każda z wersji WinCC V11 dostępna w TIA Portal ma wbudowany symulator paneli HMI.

Sterownik S7-1200 - opis

Rys. 4. Wybór jednostki CPU

W 2010 roku Siemens wprowadził do produkcji nową rodzinę uniwersalnych sterowników S7-1200 charakteryzujących się elastyczną konfiguracją, dużą wydajnością obliczeniową i niewielkimi wymiarami. Simatic S7-1200, będący następcą popularnego modelu S7-200, jest kompaktowym sterownikiem PLC przeznaczonym do zastosowań w małych i średnich systemach sterowania i regulacji.

Jego konstruktorom przyświecała myśl opracowania zintegrowanego, łatwego w konfiguracji systemu zawierającego sterownik PLC, panel HMI i oprogramowanie narzędziowe, które pozwalałoby na łatwe tworzenie aplikacji regulacyjnych, sterujących i monitorujących. S7-1200 może być rozbudowany o moduły wejścia/wyjścia i komunikacyjne. Nową funkcją są "tablice sygnałowe" dołączane z przodu jednostki centralnej, udostępniające 2 wejścia/wyjścia cyfrowe albo wyjście analogowe, bez wpływu na fizyczny rozmiar jednostki.

Sterownik może być dodatkowo rozszerzony o dwa moduły komunikacyjne, każdy ze złączem RS232 lub RS485. Ma on wbudowany interfejs sieci Profinet ułatwiający komunikację między systemem automatyki, sterownikami i panelami HMI. Dodatkowo wspiera komunikację z urządzeniami innych producentów z wykorzystaniem otwartych protokołów Ethernetu przemysłowego (ma on interfejs Fast Ethernet z funkcją autokrosowania).

W sterowniku zintegrowano funkcje zliczania impulsów, pomiarów, realizacji zamkniętej pętli regulacji i kontroli napędów. W porównaniu z S7-200, nowy sterownik zawiera szybszy mikroprocesor i większą pamięć, która w zależności od potrzeb może być dzielona między programem użytkownika i danymi aplikacji. Jednostka centralna Simatic S7-1200 dostępna jest w 3 wersjach (1211C, 1212C, 1214C) z możliwością dopasowania do wymagań konkretnych systemów automatyki.

Rys. 5. Widok projektu

Wersja CPU 1212C akceptuje dwa, a 1214C osiem modułów sygnałowych (wejść/wyjść). Wszystkie jednostki centralne można wyposażyć w maksymalnie 3 moduły do komunikacji szeregowej. Sterownik zawiera wbudowaną pamięć o pojemności 50kB ze zmienną granicą między programem użytkownika i obszarem danych. Może być rozszerzony do maksymalnie 2MB zintegrowanej pamięci i do 2kB zintegrowanej pamięci retencyjnej.

Opcjonalna karta pamięci Simatic Memory Card pozwala na przenoszenie programów pomiędzy kilkoma sterownikami. W sterowniku zintegrowano dwa szybkie wyjścia, które można skonfigurować jako impulsowe (PTO) lub z modulacją PWM. Gdy sterownik zostanie skonfigurowany w trybie PTO, wyjście impulsowe o częstotliwości sygnału 100kHz może posłużyć do regulacji prędkości w pętli otwartej lub regulacji położenia silników krokowych i serwonapędów.

Sprzężenie do wyjść impulsowych jest realizowane wewnętrznie za pomocą dwóch szybkich liczników. W trybie wyjścia PWM zachowany jest stały czas cyklu w trakcie sterowania elementem wykonawczym, np. prędkością obrotową silnika, położeniem zaworu lub cyklem pracy elementu grzejnego. W obu powyższych trybach konfiguracja odbywa się z poziomu TIA Portal.

Simatic S7-1200 umożliwia realizację 16 jednoobwodowych pętli regulacji PID. Edytor bloku regulatora PID pozwala na łatwą konfigurację każdej pętli i ręczne sterowanie regulatorem. Dodatkowo sterownik zapewnia autostrojenie i pozwala automatycznie wyliczyć optymalne wartości nastaw regulatora dla danego obiektu. W trakcie procesu strojenia można śledzić zachowanie układu regulacji w specjalnym oknie z wizualizacją sygnałów (trendy).

Przykładowa konfiguracja sterownika Simatic S7-1200

Rys. 6. Dołączenie modułu wejść/wyjść analogowych

Sterownikiem wykorzystanym w projekcie jest Simatic S7-1200. Charakteryzuje się on modułową konstrukcją (maks. 8 modułów sygnałowych, jedna płyta sygnałów i 3 moduły komunikacyjne). W maksymalnej konfiguracji zawiera odpowiednio 248 sygnałów binarnych i 51 sygnałów analogowych oraz interfejsy Profinet/Industrial Ethernet.

Sterownik udostępnia możliwość diagnostyki i aktualizacji oprogramowania przez port Ethernet oraz komunikacji z wykorzystaniem protokołów RS-232, RS-485 i Modbus RTU. W projekcie wykorzystano jednostkę CPU 1214C, zasilacz 230V_AC/24V_DC PS1207 oraz moduł rozszerzeń wejść/wyjść analogowych 6ES7 234 (rys. 1).

S7-1200 - połączenie modułów i programatora

Rys. 7. Pasek narzędzi

Sposób podłączenia do sieci energetycznej i komputera przedstawia rysunek 2. Jednostkę CPU i 6ES7 należy zasilić indywidualnie (możliwe jest wykorzystanie tego samego zasilacza) napięciem stałym 24V. Wymiana danych między modułami CPU i AI/AO (6ES7) odbywa się poprzez wewnętrzną magistralę. Funkcję programatora pełni komputer PC podłączany kablem Ethernet.

Konfiguracja środowiska TIA - projekt

Rys. 8. Automatycznie wyszukane połączenie

Po uruchomieniu aplikacji TIA użytkownikowi ukazuje się widok portalu (rys. 3) przedstawiający pasek zadań (1), wybór opcji (2) i listę utworzonych projektów (3). W celu utworzenia nowego projektu należy wybrać opcję Create new project (rys. 3), podać ścieżkę do katalogu z projektem (Path) i wybraną nazwę.

W przykładzie projekt nazwano "Regulator_ PID". Po uzupełnieniu powyższych parametrów nowy projekt tworzy się, klikając przycisk Create.

Konfiguracja sterownika S7-1200

Rys. 9. Przypisanie dodatkowego IP

Po utworzeniu projektu i zapisaniu w podanym katalogu, dla projektu (rys. 4) dostępny jest pasek zadań (L). Na początku projektowania konieczny jest wybór jednostki centralnej sterownika. W tym celu należy kliknąć na zadanie Devices & Networks (1), a następnie wybrać opcję Add new device (2). Do wyboru powinny być udostępnione dwa rodzaje urządzeń: Simatic HMI i Simatic PLC.

Jeżeli naszym zadaniem jest zaprogramowanie sterownika, należy kliknąć ikonę Simatic PLC (3). Niezbędne jest także wpisanie nazwy urządzenia (4) - w tym projekcie będzie to "Sterownik_1". Z wyświetlonego katalogu wybierana jest jednostka centralna CPU, poprzez dwukrotne kliknięcie na jej opis (5): PLC > Simatic S7 1200 > CPU > CPU 1214C > 6ES7-214-1AE30-0XB0.

Po wyborze jednostki centralnej ukazuje się widok projektu (rys. 5). Z lewej strony dostępne jest okno Project tree (1). Znajdują się w nim katalogi zapewniające dostęp do poszczególnych elementów składowych. Katalog Sterownik_1[CPU 1214C DC/DC/DC] zawiera informacje na temat programu oraz konfiguracji sprzętowej wybranego sterownika.

Rys. 10. Potwierdzenie dodatkowego IP

Zawartość katalogów jest wyświetlana w oknie centralnym - "Regulator_ PID" (2), w którym na wstępie powinien pojawić się moduł CPU wraz z listą jego parametrów. Po prawej stronie widoku projektu znajdują się zakładki (3) umożliwiające dostęp do katalogu sprzętowego czy bibliotek Modbus lub HMI. W lewym dolnym rogu okna głównego znajduje się odnośnik do widoku portalu (4).

Dzięki niemu możliwe jest przełączanie między widokiem projektu i widokiem portalu. W regulatorze PID sygnałem sterującym jest sygnał analogowy. Ponieważ moduł CPU dostępny w projekcie nie zawiera tego typu wyjść, konieczne jest dołączenie oddzielnego modułu z wyjściami analogowymi (rys. 6). W tym celu należy wybrać zakładkę Hardware catalog (1).

Użytkownikowi powinna ukazać się lista folderów z modułami rozszerzeniowymi. Z listy tej należy wybrać katalog AI/AO, następnie AI4 x 14bits/AO2 x 14 bits i ostatecznie konkretny moduł - tu 6ES7 234-4HE30-0XB0 (2). Aby dołączyć ten element do projektu, należy przeciągnąć go z katalogu na pole 2 - obok jednostki CPU (3).

Komunikacja ze sterownikiem S7-1200

Rys. 11. a) okno Load preview, b) okno Load results

Aby skomunikować się ze sterownikiem, należy użyć kabla z wtyczką RJ-45 podłączonego do komputera. Będąc w widoku projektu, kliknąć na ikonę Download to device dostępną na pasku narzędzi (rys. 7). W ten sposób wgrywamy pusty program do sterownika w celu sprawdzenia komunikacji. W tym momencie rozpocznie się wyszukiwanie połączenia między sterownikiem i komputerem.

W utworzonym projekcie połączenie nie było utworzone, więc programator automatycznie znajdzie podłączony sterownik i zaproponuje przypisanie mu domyślnego adresu IP: 192.168.0.1 (rys. 8). Należy wtedy wybrać proponowane połączenie (1) i wcisnąć Load (2). Program może zapytać o przypisanie dodatkowego IP wymaganego w tym połączeniu (rys. 9).

Automatyczne przypisanie adresów odbywa się poprzez kliknięcie na przycisk Yes. Otrzymuje się wiadomość, że więcej dodatkowych adresów IP nie jest wymaganych (rys. 10). Należy potwierdzić komunikat, wciskając OK, a kompilator przejdzie do sprawdzenia poprawności programu. Wyniki sprawdzenia są wyświetlane w oknie Load preview (rys. 11a).

Rys. 12. Ustawienia połączenia diagnostycznego

Jeśli wszystko przebiegło poprawnie, w zakładce Message pojawia się informacja Ready for loading. Aby kontynuować wgrywanie, należy kliknąć na przycisk Load. Po zakończeniu wgrywania użytkownik jest informowany o jego poprawności w oknie Load results (rys. 11b).

Jeś nie wystąpiły żadne błędy w komunikacji lub zapisie do pamięci, w zakładce Message powinna ukazać się informacja Downloading to device completed without error. Po zakończeniu wgrywania, istnieje także możliwość włączenia modułów sterownika - przejście w tryb RUN. W tym celu zaznaczyć opcję Start all (1). Aby zakończyć wgrywanie, należy kliknąć na przycisk Finish.

W środowisku TIA istnieje możliwość sprawdzenia poprawności działania poszczególnych modułów i ich połączenia. Służy do tego opcja Online & diagnostics dostępna w zakładce Online. Po wyborze tej funkcji powinno ukazać się okno Online access (rys. 12). W oknie tym należy wybrać rodzaj połączenia diagnostycznego (w projekcie jest to kabel ethernetowy).

Po dokonaniu ustawień kliknąć na przycisk Go online. Kompilator przechodzi w tryb Online, a wyniki diagnostyczne wyświetlane są w oknie Device information (rys. 13). O braku problemów informuje opis: No devices with problems.

Czynności konfiguracyjne w środowisku TIA Portal - to dopiero początek...

Rys. 13. Wyniki diagnostyki

W artykule przedstawiono czynności konfiguracyjne w środowisku TIA Portal pozwalające na połączenie sterownika S7-1200 z programatorem. W kolejnej części zostanie opisany sposób integracji sterownika z panelem HMI (KTP600) w wersji kompaktowej oraz zasymulowanego na programatorze. Opisana konfiguracja zostanie wykorzystana również w kolejnych artykułach dotyczących S7-1200 i TIA Portal.

Planowane jest w nich opisanie tworzenia programów z wykorzystaniem języków LAD/FBD oraz zaprojektowanie wizualizacji do przykładowych aplikacji - identyfikacji obiektu, badania działania algorytmu PID zaimplementowanego w bloku dostarczanym wraz ze środowiskiem TIA Portal oraz wybranych zadań regulacji.

Jakub Możaryn, Kacper Malinowski, Rafał Kurtyka