Széchenyi István Egyetem Automatizálási Tanszék
Siemens HMI érintőpanel programozása Programozott vezérlések NGB_AU027_1
Kocsis Bence
2017. május 10.
Tartalomjegyzék
Feladatkiírás .......................................................................................................... 3. A PLC fogalma és története ................................................................................... 4. Simatic HMI .......................................................................................................... 6. Simatic S7 hardver bemutatása .............................................................................. 8. Simatic S7-300 PLC bemutatása ............................................................................ 9. Megvalósítás ......................................................................................................... 11. A PLC eszköz programozása ................................................................................. 14. A HMI eszköz programozása ................................................................................. 17. Mellékletek ........................................................................................................... 23. SIMATIC STEP-7 programozás ........................................................................... 24.
2
Feladatkiírás Egy Siemens márkájú Simatic Touch érintőpanel és a vezérléséhez szükséges Siemens Simatic PLC eszköz működésének és alapszintű programozásának megértése és elsajátítása.
3
A PLC fogalma és története Neve az angolszász Programmable Logic Controller (programozható logikai vezérlők) elnevezésből ered. A német szakirodalomnak megfelelően elnevezésük lehet PEAS (Programmierbar Eingang-Ausgang System) is. A PLC-k intelligens vezérlő rendszerek, amelyek lehetővé teszik, hogy ugyanazon hardver,
a
betöltött
programnak
megfelelően
akár
több
vezérlési
feladatot
is
megvalósíthasson. E talán leglényegesebb tulajdonsága teszi lehetővé, hogy egy terméket előállító technológia rugalmas legyen; vagyis ha egy termék előállítási technológiáján változtatni kell, ne kelljen feltétlenül új vezérlőt vásárolni, hanem elég csak a meglévő átprogramozása az új eljárásnak megfelelően. Az első PLC-ket az 1970-es évek elején a Modicon cég fejlesztette ki az autóipar azon belül is a General Motors számára. Ennek a korai változatnak a központi egységét egy huzalozott CPU alkotta, 1 kB memóriával, és 128 input/output csatornával rendelkezett. Később a mikroprocesszorok megjelenésével egyre több I/O csatornát tudtak kezelni és növekedett a program-, illetve az operatív tárolójuk mérete is. Az 1980-as évektől megjelentek az úgynevezett mini PLC-k, melyek felhasználási területe elsősorban nem a nagy ipari vezérlőrendszerekben keresendő. Az 1990-es évektől megjelentek a hálózatba kapcsolt PLC-k melyek megteremtették a távfelügyeletet valamint a távoli programozás lehetőségét is.
Egy moduláris felépítésű Siemens Simatic S7-1200-as PLC.
4
A ma használt PLC-ket kivitelezésük szerint két nagy csoportba sorolhatjuk:
Kompakt felépítésű: elsősorban egyszerűbb vezérlési feladatok elvégzésére hivatottak, előnyük a kis méret, az egyszerű programozhatóság, hátrányuk, hogy az I/O csatornák száma és tulajdonsága utólag nem konfigurálhatóak.
Moduláris szerkezetű: funkcionális egységei önállóak, modulok formájában kapcsolhatóak egymáshoz, I/O csatornáik száma bármikor tetszőlegesen személyre szabható, ipari gyártósorok és folyamatirányító rendszerek vezérlési feladatainak ellátására fejlesztették ki.
A PLC szerepe egy szerszámgépvezérlésében 5
Simatic HMI A kiadott feladat szerint érintőkijelző programozását kell megvalósítani. E feladatot Siemens PLC-n kellett megoldani. Ehhez elengedhetetlenül szükséges a Simatic HMI rendszerének bemutatása. Mint az az angolszász megnevezésből is látszik (Human Machine Interface) e szolgáltatások az emberek és a gépek közötti összeköttetést kívánják elősegíteni, különböző perifériákon keresztül. A Siemens által gyártott HMI eszközöket két nagy csoportra bonthatjuk:
hardveres operátor eszközökre és
szoftveres HMI megoldásokra. Operátor eszközök
Az operátor eszközöket további három csoportra bonthatjuk alap (basic), panel alapú haladó (advanced panel-based) és PC alapú haladó (advanced PC-based) eszközökre. Ezek közül a projektumnak megvalósításához a Basic HMI által nyújtott szolgáltatások az ideálisak, tehát a továbbiakban ezekről lesz szó. Basic HMI A Siemens által kínált termékek sokszínűsége révén, e csoport is tovább bontható úgynevezett Key Panel és Basic Panel termékcsoportokra. A Key Panel egy kizárólag bemeneti periféria szerepét betölteni képes eszköz, melyen előre, bizonyos funkciók vagy folyamatok elindításához, kezeléséhez, megállításához valamint menürendszerekben való haladáshoz, esetleg egy-egy adat beviteléhez dedikált nyomógombok találhatóak meg.
6
A Basic HMI panelek már mind Input mind Output perifériaként alkalmazhatóak, hiszen ezek gyakorlatilag érintőképernyők. Egyszerre követhetőek vele nyomon a vezérlési folyamatok,
és
akár
bizonyos
beavatkozások
is
végrehajthatóak
a
segítségével.
Alkalmazhatóságuk gyakorlatilag korlátlan, mivel bármilyen kezelőfelület létrehozható bennük. További előnye, hogy négy méretben 4, 7, 9 és 12 colos méretekben is kapható. A projektfeladat céljaként ezen eszközök programozása a kitűzött cél.
Szoftveres HMI megoldások Vizualizációs feladatok ellátására a Simatic WinCC megoldást sikerrel alkalmazhatjuk a TIA portált szoftvercsomaggal. A szoftver főbb szolgáltatásai közül említsünk meg néhányat a teljesség igénye nélkül:
intelligens grafikus kezelőfelület mellyel tetszőleges GUI (grafikus felhasználói felület) hozható létre, minimális idő alatt;
közös (akár felhő alapú) adattárolás, amivel akár egymástól távol elhelyezkedő több üzemben is elérhetjük a munkáinkat;
vizuális visszajelzések létrehozására alkalmas, (pl. egy tartály töltődésével szinkronban lévő animáció);
nagy összetett rendszerek esetén, lényeges előnnyel alkalmazható automatizált redundancia és hiba kereső;
panel és kontroller szimuláció (nem szükséges PLC csatlakoztatás a teszteléshez és tervezéshez); 7
Simatic S7 hardver bemutatása A központi egység végzi a program futtatását, itt helyezkednek el a kezelőgombok és visszajelző LED-ek, és legalább egy kommunikációs lehetőséggel is rendelkezik, ahol a programot lehet feltölteni. Az egységet egymagában ritkán szoktuk használni, ugyanis a legtöbb esetben szükség van további I/O csatlakozási pontokra és egyéb (pl.: hálózati kommunikáció miatt, stb.) más kártyák, illetve modulok végzik el. A Simatic S7 család a S7-200, 300 és 400-as sorozata a jellemzően alkalmazott PLC, de ezek közül is a 200-as sorozat viszonylag ritkán szokott felbukkanni ipari környezetben. Az S7-300-as sorozat a leggyakoribb, míg az S7-400 jellemzően a nagy üzembiztonságot igénylő rendszereket szolgálja ki – ára is ezt tükrözi. Az általunk felhasznált eszköz az S7 család 300-as sorozatából származik.
A termékpaletta sokszínűségét tükrözi, hogy egy sorozaton belül is számos különböző processzortípussal szerelt változat kapható.
8
Simatic S7-300 PLC bemutatása
S7-300 PLC Az S7-300 családban találhatók a Siemens közepes méretű PLC-i. Az általunk kiválasztott PLC a 313c2pn/dp processzort tartalmazza. A 300-as PLC-ket egy speciális profilú PLC-sínre lehet felhelyezni, az egységek sorrendje részben kötött. A legegyszerűbb módszer a HW-konfigurátor programban kipróbálgatni a megfelelő sorrendet. A jellemző sorrend a következő: Az első pozíció a tápegységé (PS), majd következik a CPU és az IM modul, és ezt követheti a maximum 8 darab SM (signal-modul: I/O kártya).
A CPU egységen jellemzően az alábbi LED-ek láthatóak. Vegyük sorra ezek jelentését és rövid leírásukat: SF BATF DC5V
System fault Battery fault DC 5V Ready
FRCE
Force mode
RUN
Run mode
STOP
Stop mode
BUSF
Bus fault
Hardver vagy szoftverhiba. Akkumulátor hiba. 5V-os betáplálás rendben. Force-üzemmód aktív. (A programban legalább egy változó kikényszerített állapotban van.) A program futását 2 Hz-es, álló helyzetét 0,5 Hz villogás jelzi. A LED a teljes törlés alatt 0,5 Hz-cel villog, azt követően pedig 2Hz-cel. Busz hiba. (kommunikációs hiba). 9
Üzemállapot kapcsoló (kulcs kapcsoló)
RUN-P: A program programozói módban kerül futtatásra, ennek értelmében menet közben módosítható. Újabb PLC-knél sok esetben ennek az állásnak a funkciója beleolvadt a RUN-ba.
RUN: Futtatás védett módban - a program ebben a módban nem módosítható. Újabb PLC-knél sok esetben nincs külön RUN-P állás, ilyenkor a program futása alatt bármikor módosítható.
STOP: A program leállítása.
MRES: Teljes törlés. A kapcsolónak ez az állása "szuperbiztonságossá" lett téve, csak egy - véletlenül végre nem hajtható műveletsorral történik meg a törlés.
MPI csatlakozó Az MPI csatlakozó a Simatic-os MPI hálózatra való csatlakozást teszi lehetővé. Ennek sebessége jellemzően 187,5 kBaud. A CPU jellemzően elküldi az MPI-on beállított busz paramétereit, így a sebességet is. MPI porton keresztül óra-szinkronizáció is lehetséges.
DP, MPI-DP csatlakozó Az MPI-DP csatlakozó a takarékosság jegyében született, a Profibus DP standard szerint maximum 12 MBaud-os adatátvitelre alkalmas. DP porton keresztül megfelelő beállítások mellett ugyanúgy lehet programozni a PLC-t mint az MPI-on keresztül, de ez esetben sebességnövekedés érhető el.
10
Megvalósítás A megvalósítás során felmerült technikai problémák miatt néhány eszköz cseréjét kellett elvégezni, mivel az S7-300-as PLC általunk hozzáférhető változata kizárólag MPI és USB portokkal volt ellátva, (ami nem tette lehetővé a kijelző programozását, mivel az csak Profinet csatlakozóval rendelkezett). A 300-as PLC helyett egy szintén Siemens gyártmányú Simatic S7-es eszközt választottunk: az 1200-at. Ezen eszköz fejlettebb a 300-asnál, de programozása a mi feladatunk szintjén, még nem tér el a gyengébb változatoktól.
Nézzünk néhány specifikációs adatot:
CPU: 1214C DC/DC/DC,
digitális bemenetek száma: 14 db,
digitális kimenetek száma: 10 db,
analóg kimenetek száma: 1db,
Profinet portok száma: 1db.
A PLC csupán egy darab Profinet csatlakozóval rendelkezik, tehát nem megvalósítható a kijelző és az eszköz egyidejű programozása. Erre a problémára használható sikerrel a Siemens Simatic NET CSM 1277-es hálózati kommunikációs modulja, melyen már négy darab Profinet csatlakozó van.
11
A Profinet hálózat kialakításánál figyelembe kellett venni, hogy egyszerre akár párhuzamosan két különböző eszközhöz is hozzá tudjunk férni a programozást végző PC -vel. Legideálisabb megoldásnak egy csillag topológiájú mikro hálózat kiépítése volt, a következő ábra szerint:
A kijelző változatlanul egy Simatic KTP600 Basic color PN érintőkijelző, ami:
15 cm –es érintőkijelzővel,
6 db fizikai funkciógombbal,
1 db Profinet porttal,
1 db 24V-os tápcsatlakozóval rendelkezik.
A ki és a bemenetek egyszerű kezelését egy soros-porttal a PLC-hez csatlakoztatott digitális I/O táblával oldottam meg:
12
A végleges összeszerelt konfiguráció a következőképpen néz ki:
A hardver programozását a TIA Portál nevű szoftverrel oldottam meg. Ennek bemutatása a programozás menetének részletes ismertetése során kerül tárgyalásra, a következő fejezetben.
13
A PLC eszköz programozás A TIA portál elindítását követően, létre kell hoznunk egy projektfájlt, amibe az általunk elkészített anyagokat menti a program. Miután elkészült a projekt a következő kép tárul a szemünk elé, ahol a Configure Device ikonra kattintva tudunk hozzáadni hardveres eszközöket.
Az eszköz kiválasztását követően össze kell hangolnunk számítógépünk hálózati beállításait az eszközünk beállításaival. Ehhez először számítógépünkben, a vezérlőpultban a hálózati beállítások menüjében kell a következő beállításokat elvégeznünk. Ezek után a TIA portálon belül a PLC-re kattintva a Properties lehetőséget kiválasztva hasonlóan meg kell adni eszközünk IP címét.
14
Mint minden esetben a PLC programozás első kiinduló állomása a TAG tábla létrehozása, jelen bemutató feladatunkhoz három változó létrehozása elegendő. Fontos megjegyezni, hogy az itt létrehozott TAG-ek a PLC-hez tartoznak, ugyanis a későbbiekben más típusú TAG-ek is létre fogunk hozni.
A következő feladatunk a LAD programozásnak megfelelően magának a programnak az elkészítése, melyet a fa menüben érhetünk el OB1 név alatt.
Amennyiben elkészültünk a program elkészítésével, következhet a tesztelés: ezt kétféleképpen is megtehetjük: szimulációs program segítségével vagy PLC eszközre való csatlakozás útján. Mi az utóbbival fogunk részletesen foglalkozni, de nézzünk pár szót a szimuláció menetéről is. A szimulációhoz először is be kell szereznünk a Siemens Simatic PLC-SIM nevű alkalmazását, melyre aztán a TIA portálban a fizikai PLC-hez hasonlóan csatlakoznunk kell, annyi különbséggel, hogy itt virtuális Profinet hálózat kerül kialakításra a két szoftver között. Ha korábban a hálózati beállításokat sikerrel véghezvittük a következőkben csupán három gomb megnyomásával már tesztelhető is a programunk magán a PLC-n. 15
Első lépésben ki kell alakítanunk az online kapcsolatot, az előzőleg már ProfinetEthernet kábellel fizikailag is összekapcsolt eszközeink között: ehhez a Go online gombra kell kattintanunk a ribbon menüben.
Második lépésként jobbra a negyedik lefelé mutató nyilat tartalmazó szimbólummal tölthetjük le az előzőleg már elmentett és opcionálisan lefordított programunkat. (A fordítás opcionalitását az biztosítja, hogy a letöltés gomb, a munka megkezdése előtt automatikus fordítást és ellenőrzést is végez a kódon. Ha sikeres az online kapcsolat akkor a fa menüben több helyütt is zöld jelzések láthatók, melyek a hálózat állapotát mutatják. Végezetül a korábbi tanulmányaink során már jól megismert a szemüveg ikonra kattintva végzehető a tesztelés, úgy hogy a kimeneteket már nem a programon kell állítanunk, hanem a PLC eszközhöz kötött digitális I/O panelen valóságos kapcsolókkal tudjuk kapcsolgatni.
16
A HMI eszköz programozása A feladat megoldása a Touch panel (továbbiakban: HMI) 24 V-os tápfeszültség alá helyezésével kezdődik. Ha ez megtörtén rövid bootolási ciklus után a következő felületet láthatjuk: Három menüpont közül tudunk választani, ezek rendre: Transfer, Start, Control Panel. Mindhárom használatára szükségünk lesz a feladat teljes értékű megoldásához, ezeket a megfelelő helyen részletesen ismertetésre fognak kerülni.
Elsőként a Control Panel szolgáltatásaira van szükségünk, megnyitása után a következőket láthatjuk:
A Profinet beállításban a korábban már tárgyalt módszerrel állítsunk be a számítógépünknek és a PLC eszközünknek megfelelő IPC címet és alhálózati maszkot a Specify an IP adress lehetőség kiválasztása után. Ezek után visszatérhetünk a TIA portálhoz. 17
A ribbon menüben a Accessible decices gombra kattintva a megjelenő ablakban a PN/IE interfész és számítógépünk hálózati kártyájának kiválasztása után már láthatóvá is válik minkét eszközünk.
Bármilyen HMI eszköz beleértve az általunk kiválasztott érintőkijelzőt is, bizonyos programozási szempontokból egy szuverén PLC eszköznek minősül, ezért egy úgynevezett HMI TAG tábla létrehozásával kell továbbhaladnunk. A fa menüben a most már látható HMIhez tartozó részeket kibontva, a PLC-hez hasonlatosan hozhatunk létre HMI TAG táblát. A bemutató feladat egyszerűségének köszönhetően ez megegyezik a PLC TAG tábla tartalmával változók tekintetében.
Jelen esetben azért van több változó, ugyanis itt már a következő, jelen dolgozatban részletesen nem tárgyalt feladat megoldását is tartalmazza. A mi szempontunkból a START, STOP és MOTOR változók fontosak.
18
A HMI TAG megadásánál a Connection oszlopban ki kell választani azt a hálózatot mellyel a PLC eszköz csatlakozik a HMI eszközhöz, ez alapértelmezés szerint mindig a képen látható nevet viseli. Kitöltése után, a PLC neve oszlop kitöltése automatikusan megtörténik. A HMI TAG tábla lényege következik: ki kell választani, hogy az adott HMI TAG, melyik PLC TAG-nek felel meg. Ha olyan PLC TAG-et adunk meg, amit korábban már létrehoztunk egy PLC TAG táblában, akkor a címzés (Adress) automatikusan megtörténik. Lényeges
beállítanunk,
az
Access
mode
oszlopban
a
relatív
hivatkozás
(alapértelmezett) helyére az abszolút hozzáférést; továbbá az Acquisition cycle oszlopban a felajánlott idők közül a legrövidebbet (természetesen ennél rövidebb idők is megadhatóak, de számunkra ez is tökéletes) a 100 ms-ot.
Habár jelen esetben komment írása nem történt (a változók neveinek egyértelműsége és
minimális
darabszáma
miatt),
fontos
megjegyezni,
hogy
a
teljes
értékű
programdokumentációnak minden esetben részét kell képezni a megfelelő kommentezés, arra az esetre, ha mással közösen szeretnénk dolgozni egy-egy projekt során, vagy csak a saját munkánk megkönnyítése céljából, ha pár év múlva ismételten szükségünk lenne a programra. Elérkeztünk a leginkább automatizált programozási feladathoz, ami az egyéb programozási nyelvekben jártasak számára tökéletes hasonlóságot mutat a Visual Basic Form létrehozásának menetével. A fa menüben a Screens-re kattintva a Root Screen-t megnyitva egy teljesen fogd és vidd alapú tervezési lehetőség áll rendelkezésünkre. Ide bármilyen szöveg, alakzat, gomb, kapcsoló, beviteli objektum létrehozható. A kijelző megtervezésének csupán a kijelző fizikai méretei valamint képzeletünk szabhat határt.
19
A létrehozott objektumokkal két dolog történhet, animáció vagy esemény. E két eset programozása kerül bemutatásra a következőkben. Esemény lehet például egy gombra való kattintás, annak megérintése. Eseményre általában gombokat, kacsolókat szokás programozni.
Itt, a START gomb programozása látható, az esemény bekövetkezése (annak megnyomása) esetén két folyamat hajtódik végre, a SetBit parancs által a START változó értékének logikai ’1’ értékre állítása, továbbá a ResetBit parancs által a STOP változó értékének ’0’ értékre állítása történik
20
Animáció lehet, egy lámpa kigyulladása, melyet a jelen esetben egy kör alakú objektummal szimbolizálunk, ami zöldre vált működés közben és pirosra kikapcsolt állapotban. Az objektumhoz hozzárendeljük a MOTOR változót, és ennek értékétől függően egyszerű animációt hajtunk végre rajta (jelen esetben csak az objektum megváltozása, de mozgások, áttünések, megjelenések és eltűnések is beállíthatóak).
Ezek után nem marad más mint a korábban már ismertetett módon az ONLINE kapcsolat felállítása, majd a program letöltése az eszközökre. Fontos, hogy a kijelzőre a kijelzőhöz, a PLC hez a PLC programját töltsük le. Mivel a HMI tárhelye csekély a biztonságos működés érdekében minden esetben a teljes felülírás pontot válasszuk, így megelőzhetjük a redundáns TAG-ek megjelenését, melyek későbbiekben sebességbeli és jósági problémákat okozhatnak a működésben.
21
A folyamat elindítása előtt a HMI menüjében most a Transfer –t kell kiválasztanunk és további teendőnk nincs.
A letöltést követően újraindul a HMI, utána a START lehetőséget választva a HMI főmenüjében már meg is tekinthetjük az általunk tervezett kijelzőt, ami ha nem követtünk el egyetlen hibát sem, képes vezérelni a PLC eszközünket.
22
Melléklet: SIMATIC STEP-7 HMI programozás c. prezentáció
Csorna, 2017. május 10.
_________________________ Kocsis Bence
23
24
25
26
27
28
29
