Mikrokontroler S7-1200 Zavrsni Rad - Pocetni Dio

GIMNAZIJA I STRUKOVNA KOLA JURJA DOBRILE PAZIN etalite Pazinske gimnazije 11

Ime i prezime uenika: Martin Matijai Obrazovni sektor: Elektrotehnika u raunalstvo Zanimanje: Tehniar za elektroniku Mentor: Aleksandar Ani, dipl. in. elektrotehnike

ELABORATIzradbe zavrnog rada na temu:

MIKROKONTROLER SIMATIC S71200

1

Pazin, 20.4.2012

2

SADRAJUvod......................................................................................................................4 Razrada teme:......................................................................................................5 Openito o mikrokontrolerima..............................................................................5 Simatic S7-1200...................................................................................................9 Programiranje mikrokontrolera: Simatic STEP7 Basic.........................................13 Konfiguriranje STEP7 Basic softvera...................................................................16 Programiranje: Ladder dijagrami........................................................................19 Uitavanje programa u ureaj............................................................................21 Programiranje mikrokontrolera: LOGO! Soft Comfort..........................................25

Razrada teme: Izrada programa: Kuni alarmni i rasvjetni sustav.............28 Programska realizacija (1. dio): LOGO! Soft Comfort..........................................29 Programska realizacija (2. dio): STEP7 Basic......................................................30

Zakljuak............................................................................................34 Popis literature...................................................................................35

3

UVODKao 4E4 razred 2011./2012. godine na prijedlog profesora Tonija Broia odluili smo svi zajedno kupiti jedan PLC ureaj. Taj ureaj e nam sluiti kao tema za zavrni rad te e ujedno modernizirati kolski praktikum elektrotehnike u kojem smo uz strunu tehniku i mjernu opremu nauili obavljati zadatke. Ujedno, PLC ureaj e pomoi i buduim generacijama kako bi mogli prakticirati i primijeniti svoje znanje. Dok sam radio zavrni rad, imao sam priliku naueno znanje i iskustvo steeno tijekom kolovanja praktino pokazati.

Kao razred smo napravili prvi dio pisanog dijela zavrnog rada u kojem smo teorijski opisali ureaj, njegove tehnike karakteristike, izgled i sve vezane podatke. Poznavanje ureaja i njegovih mogunosti osnova je njegove primjene i koritenja. Zato smo se prije praktinog dijela izradbe programa dobro upoznali sa njegovim karakteristikama te napravili hrvatski prijevod engleskog Getting started za Simatic S7-1200.

Nakon toga, svaki uenik ima priliku odabrati i sam izraditi odreeni program, testirati ga, te ga uitati u ureaj. To je izvanredna prilika praktino iskoristiti svoje znanje. Uz pomo mentora Aleksandra Ania i Tonija Broia te ostalih profesora iz elektrotehnike struke napravio sam program za kontroliranje rasvjete i alarmni sustav.

4

RAZRADA TEME: OPENITO O MIKROKONTROLERIMAMikrokontroler je elektroniki ureaj koji je,slino kao i raunalo, namijenjen da zamjeni ovjeka u kontroli dijela proizvodnog procesa ili gotovo cijelog proizvodnog procesa. Kod PC raunala ve je poznato da je Slika 1: PDIP PIC24 mikrokontoler veliina standardni ulaz tipkovnica i mi (eventualno upravljaka palica za igranje, crtaa ploa osjetljiva na dodir i sl.), dok je standardni izlaz monitor ili printer. Teko je definirati to e biti standardni ulaz i izlaz mikrokontroleru. To je zbog toga to su mikrokontroleri uglavnom dizajnirani za specifine namjene u industriji vrlo raznolike od sluaja do sluaja. Primjera ima mnogo, od jednostavne regulacije osvjetljenja, alarmnih sustava, pa do upravljanja robotima u industrijskim pogonima.

Ulazi mogu biti vrlo jednostavne izvedbe kao na primjer prekida u sklopu plovka za nadzor najveeg ili najnieg nivoa tekuine u spremniku. Mikrokontroler tada ima za obradu samo dva stanja koje opisuje jedan bit. Sloenije je praenje ako treba pratiti stvarnu razinu nivoa tekuine u5

spremniku. Tada treba definirati koliko e se nivoa pratiti i tu treba upotrijebiti nekakav potenciometarski sklop koji e mikrokontroleru predati odreenu analognu vrijednost koju e on zatim pomou A/D pretvornika obraditi i proslijediti dalje. Ako je pak povezan s fotoelijom za brojanje predmeta po naelu prekidanja svjetlosnog snopa radi se o izravnom brojanju impulsa tijekom rada neovisno o vremenu. Ulazi mogu biti analogni i digitalni, a podaci u veini sluajeva dolaze iz mjernih pretvornika (senzora). Izlazi iz mikrokontrolera takoer mogu biti analogni i digitalni. Analogni izlazi, bilo naponski ili strujni, mogu se elektromehanikim sklopovima pretvoriti u neku radnju kao promjena poloaja nekog predmeta, poveanje brzine vrtnje motora i slino. Najjednostavniji primjer je lampica upozorenja koja upozorava ovjeka na promjenu ili neispravnost. Sloeniji izlaz je kada se eli pratiti veliina promjene bilo kao analogni ili digitalni prikaz. Naravno, ulaz i izlaz mikrokontrolera nije iskljuivo vezan na komunikaciju sa strojem. Uglavnom kontroler ima neki vid komunikacije prema korisniku, na primjer s lampicama ili s digitalnim pokazivaem. Nekad se za komunikaciju s ovjekom koristi PC raunalo. Mikrokontroleri prema nainu izrade i komunikacije s okoliem mogu podijeliti na dvije osnovne kategorije: Mikrokontroler kao samostalna upravljaka jedinica

Mikrokontroler kao osobita kartica u jednom od utora PC raunala (vidi sl. 2)

6

U principu mikrokontroler radi na naelu vrlo bliskom raunalu. On je zapravo malo raunalo, te njegova sloenost ovisi o poslu za koji je

namijenjen.

Dijelovi mikrokontroleraSlika 2: USB 3.0 mikrokontroler PCIe kartica za PC raunalo7

Osnovni dijelovi mikrokontrolera (koje sadri veina mikrokontrolera):

Mikroprocesor ROM, EPROM ili flash memorija RAM memorija Oscilator Sat (timer) Broja (counter) Watchdog sat (timer) Digitalni ulazi i izlazi

Dodatni dijelovi mikrokontrolera:

Analogni ulazi i izlazi Komunikacijski sklop (interfejs), USART (USART), SSP (SSP) i drugi Analogni poreivai napona (naponski komparatori) Modulator irine pulsa (PWM modulator) za kontrolu motora

to je PLC?Slika 3: Blok-shema mikrokontrolera8

PLC (eng. Programmable Logic Controller) je programabilni logiki kontroler, tj. industrijsko raunalo koje se sastoji od memorije, procesora, industrijskih ulaza i izlaza; ulazi nisu tipkovnica i mi, nego tipkala i sklopke, ili razne vrste pretvornika ili senzora. PLC se najvie koristi kao osnovni dio upravljakih automatskih sustava u industriji. Njegov program, odnosno algoritam, se moe jednostano mijenjati te je pogodan za brza rjeenja i aplikacije. Dio je mnogobrojnih strojeva i procesa u industriji. PLC je digitalno raunalo, njegov program se izvrava ciklino i sastoji se od tri faze:

itanje ulaznih varijabli izvravanje programskog koda ispisivanje rezultata logikih operacija na izlaze

9

Program se pamti u unutranjoj memoriji ureaja i kad on ostane bez napajanja. Projektiran je za teke uvjete rada, otporan na vibracije,

temperaturne promjene i elektrine smetnje.

Slika 4: Primjena PLC ureaja u industriji10

PLC: Simatic S7-1200S7-1200 je programibilni logiki kontroler (PLC). Programira se pomou Simatic STEP7 Basic softverskog suelja. Jednostavnim programiranjem i koritenjem nalazi iroku primjenu u industriji. Osim glavne jedinice, postoje i moduli kojima se dodatno moe proiriti njegova funkcionalnost.

Moduli u S7-1200 seriji: 3 kompaktna kontrolera u razliitim verzijama za iroki raspon AC i DC kontroliranja (CPU 1211C, CPU 1212C i CPU 1214C)

2 signalne ploe (analogna i digitalna) za jeftino i jednostavno modularno proirenje izravno na CPU bez dodatnih poveanja dimenzija

13 razliitih digitalnih i analognih signalnih modula 2 komunikacijska modula (RS232/RS485) mreni preklopnik sa 4 porta PS 1207 stabilizirano napajanje, ulazni napon (115/220V AC), nazivni napon (24V DC)

11

Slika 5: Simatic S7-1200 sa modulima

Prednosti Simatic S7-1200 PLC ureaja: Jedan softver za programiranje, logiku, HMI panele

Integrirane hardverske mogunosti: Podrka za mreno spajanje, analogni ulazi, SD memorijsko suelje (nisu potrebni posebni moduli za spajanje)

Mogunost jednostavne nadogradnje sa dodatnim modulima

Mogunost programiranja u SCL (structured control languague) visokom programskom jeziku SIPLUS extreme verzija koja omoguava rad u ekstremnim uvjetima (vrlo visoke i niske temperature, korozija, kondenzacija..) Male dimezije

Omoguava visok nivo automatizacije uz malu cijenu

Jednostavna instalacija, programiranje i inenjering Mogunost integracije u velike sustave

Mogua primjena u jednostavnim i kompleksnim automatizacijskim sustavima

CPU moe raditi kao samostalan, u mrei, ili u velikim distribuiranim strukturama

Moe se koristiti tamo gdje se programibilni mikrokontroleri do sada nisu mogli koristiti zbog cijene

12

Izuzetne real-time performanse i komunikacijske mogunosti

Slika 6: Simatic HMI paneli ekrani osjetljivi na dodir za komunikaciju i upravljanje sa PLC ureajima

Karakteristike

PLC ureaja Simatic S7-1200 CPU 1212C:Svojstva Dimenzije Radna memorija Memorija optereenja Memorija za pohranu Integrirani digitalni I/O Integrirani analogni I/O Procesna slika (ulaz) Procesna slika (izlaz) Bit memorija CPU1212C 90mm x 100mm x 75mm 25 Kb 1 MB 2 Kb 8 ulaza i 6 izlaza 2 ulaza 1024b 1024b 4096b

Vanjski dijelovi ureaja (vidi sliku 7): 1. Prekida za ukljuivanje 2. Izmjenjivi iani prikljuci3. Statusne LED diode za integrirane ulaze/izlaze 13

4. PROFINET konektor (na dnu CPU)

Slika 7: S7-1200 - kuite

Primjena:S7-1200 je mikrokontroler koristi se u proizvodnji mehanike opreme i postrojenja. Zbog svog modularnog i kompaktnog dizajna te visokih performansi moe se koristiti u irokom spektru aplikacija. Raspon koritenja ide od zamjene releja pa sve do kompleksne automatizacije u industrijskim mreama. Primjeri:

Konvejeri (transportne trake u proizvodnji) slika 8

Liftovi i eskalatori Strojevi za obradu metala Pakirni strojevi

Strojevi za tisak

Tekstilni strojevi Proiavanje otpadnih voda14

Vanjski zasloni Stanice za distribuciju elektrine energije Sustav za kontrolu grijanja/hlaenja Upravljanje energetskom potronjom Protupoarni sustavi Upravljanje rasvjetom Upravljanje pumpama Sigurnosni sustavi kontrole pristupa Slika 8: transportne trake u industriji

Programiranje PLC mikrokontrolera: Simatic STEP7 BasicSiemens STEP 7 Basic je inenjerski softver koji omoguava programiranje i inenjering S7-1200 mikrokontrolera i HMI panela. Sadri sve neophodne funkcije i alate za hardversko i mreno konfiguriranje, programiranje i diagnostiku. Pomou njega moemo napraviti kompletan program te ga uitati u S7-1200. Za programiranje se koristi Ladder diagrami15

Slika 9: Primjer Ladder diagrama

(vidi sliku 9). Programiranje je maksimalno pojednostavljeno te se elementi spajaju na drag-and-drop nain. Isto se tako i povezuju sa odreenim ulazima i izlazima na hardveru S7-1200.

Slika 10: STEP 7 Basic softversko suelje, poetni ekran

Tijek instalacije Simatic STEP7 Basic V11 programske podrke u raunalo: U par kratkih koraka opisat emo postupak kojim se STEP7 Basic instalira na raunalo. Instalacija je prilino jednostavna i slina veini ostalih programskih paketa.16

1. Nakon to smo ubacili

Slika 11: STEP 7 Basic instalacijski CD

instalacijski CD, automatski se pokrenula instalacija programa. Odmah na poetku, program zahtijeva odreenu nadogradnju Microsoft .NET frameworka kako bi mogao nastaviti sa instalacijom. Slika 12.1: Nadogradnja .NET frameworka se nemoe instalirati na 64-bitni Windows operacijski sustav *Napomena: program

2. Odmah odabiremo jezik koji elimo koristiti tijekom instalacije, te moramo iskljuiti sve ostale trenutno pokrenute programe.

Slika 12.2: Odabir jezika 3. Nadalje, dobivamo mogunost odabiranja komponenti programa koje elimo instalirati.17

Slika 12.3: Odabir proramskih

Preporuka je staviti na Typical. Takoer moramo paziti da particji diska (uobiajeno C disk) imamo dovoljno slobodnog prostora.

4. Kako bi uspjeno izvrili

instalaciju moramo prihvatiti ugovor o dozvoli koritenja (kao i kod ostalih programskih paketa)

Slika 12.4: Ugovor o dozvoli koritenja5. Zadnji korak je provjera

svih postavki i instalacijskog direktorija, nakon toga zapoinje instaliranje. Nakon instalacije potrebno je ponovo pokrenuti raunalo. te

Konfiguriranje

Slika 12.5: Zadnji pregled instalacijskih postavki

STEP7 Basic softvera:1. Nakon pokretanja Siemensovog TIA (Totaly Integrated Automation)18

portala dobili smo poetni zaslon u kojem kreirati nove ili uitavati ve postojee projekte

Slika 13.1: STEP7 Basic poetni ekran 2. Poslije kreiranja novog projekta dobili smo zaslon koji nam omoguava konfiguriranje PLC ureaja, izradu novog programa te konfiguriranje HMI panela. Mi smo otvorili pregled projekta. Slika 13.2: Upravljanje projektom

3. Da bi zapoeli rad na projektu, potrebno je dodati odgovarajui PLC ureaj koji emo kasnije koristiti. Nakon to smo otvorili Add new device prozor, odabrali smo na PLC ureaj CPU1212C AC/DC/Rly, te verziju 2.0

Slika 13.3: Dodavanje PLC ureaja

19

4. Nakon toga dobili smo poetno suelje i moemo krenuti sa programiranjem.

Na isti nain moemo dodati jo ureaja odnosno modula koji su spojeni sa PLC-om S7-1200. Moduli su ureaji koji proiruju funkcionalnost ureaja na nain da omoguavaju dodatne ulaze/izlaze ili dodatne naine spajanja sa raunalom ili ostalim ureajima u industriji (interface). Takoer moemo dodati i HMI panele (vidi sliku 14). To su ekrani osjetljivi na dodir koji se mogu koristiti za konfiguriranje programa u real-time vremenu, odnosno mjenjanju postavki za razliite namjene te nam prikazuju automatizaciji. Slika 14: HMI panel u industriji razliite povratne informacije to je vrlo korisno u industrijskoj Slika 13.4: Prikaz dodanog PLC ureaja

20

Nakon to smo dodali novi PLC ureaj (vidi sliku 15), automatski se otvorio Main organizacijski blok. U STEP7 Basic moemo koristiti sljedee blokove (vidi sliku 16): 1. Organization block glavni Slika 15: Izbornik za odreeni PLC ureaj ciklus, on moe sadravati vie function blokovai tako tvori jedan blok koji izvrava programski vei program 2. Function block blok u kojemu izraujemo samo jedan dio programa 3. Function blok u kojem izraujemo samo pojedinanu funkciju koju emo kasnije ubaciti u Function ili Organization blok 4. Data block ovo je baza podataka koja sadrava sve informacije od naziva pojedinanih elemenata do njihov vrijednosti (timera, brojaa itd.)

21

Programiranje u STEP7 Basic: LADDERSlika 16: Dodavanje novih blokova

dijagrami

Jedno od najee upotrebljavanih naina programiranja PLC ureaja su tzv. Ladder dijagrami. Na poetku ovaj nain se moe initi vrlo kompliciran i teak, ali kad se shvati princip puno je pregledniji i jednostavniji nego programiranje u funckijskim blokovima, koje STEP7 Basic takoer podrava. Princip ladder programiranja vrlo je jednostavan. Temelji se na paralelnom i serijskom spajanju elemenata kao u standarnoj elektrotehnici. Ladder dijagram si moemo predoiti kao standardni kruni dijagram zaokrenut za 90 stupnjeva na lijevo. Signal tee s lijeva na desno te se u meuprostoru spajaju svi ostali instrukcijski elementi. Svaki od elemenata ima svoj poseban simbol. Slika 17 prikazuje kategorije instrukcija koje moemo koristiti prilikom programiranja. U sljedeem tekstu ukratko emo objasniti najosnovnije instrukcije. Slika 17: Instrukcije za programiranje

22

Slika 18: Prikaz osnovnog Ladder dijagrama Osnovne instrukcije: Osnovne instrukcije koje se koriste za izradu PLC programa (vidi sliku 14.) su START (normal open contact), STOP (normal closed contact), OUTPUT (assigment). START predstavlja otvoreni kontakt koji kada dobije signal sa ulaza zatvori strujni krug i poalje impuls. STOP predstavlja zatvoreni kontakt koji kada dobije signal zatvori strujni krug odnosno zaustavi signal. OUTPUT prikazuje izlaz. Osim ovih postoji jo jako puno razliitih instrukcija (vidi sliku 17) koje moemo koristiti. STEP7 Basic je softver u kojem se mogu izraditi programi za vrlo irok spektar aplikacija. Mogunosti su puno vee nego u LOGO-u.

Slika 19: Prikaz osnovnih instrukcija Povezivanje ulaza/izlaza sa hardverskim ureajem: Instrukcije povezujemo sa hardverskim ulazima odnosno izlazima pomou drag and drop naina. Nakon to poveemo odreeni kontakt, iznad njega nam se pojavi oznaka koja oznaava na koji je ulaz/izlaz povezan (vidi sliku 20). Ukoliko elimo definirati odreeni kontakt bez povezivanja na ulaz/izlaz napravimo desni klik - > define tag. Tada se taj kontakt pohranjuje u bazu podataka. Kada elimo taj kontakt spojiti ne neko drugo mjesto, jednostavno dovedemo normal closed ili normal open element i nazovemo ga isto i taj kontakt. Nazivi se spremaju u kategoriju PLC tags, te ih takoer moemo tamo ureivati, dodavati i mjenjati.23

Slika 20: Tagovi nad elementima

Uitavanje programa u ureajKako bi eljeni program funkcionirao i kako bi ga uope mogli testirati moramo ga uitati odnosno prebaciti u hardverski ureaj (S7-1200). STEP7 Professional verzija sadri i opciju offline simulacije, ali je cjenovno skuplja od STEP7 Basic. Mi koristimo STEP7 Basic, pa emo za simuliranje morati povezati i hardverski ureaj. Povezati emo ga pomou Slika 21: S7-1200 paket

PROFINET interfejsa (vidi sliku 21 zeleni kabel). To je industrijski standard za automatizacijske sustave. Koristi TCP/IP i IT standarde, i radi u real-time. To je zapravo mreni kabel koji se inae koristi u raunalnim mreama za povezivanje na internet. On zamjenjuje stare RS232 konektore za koje je potreban jo dodatni skupi interfejs kako bi se povezali sa raunalom. Za spajanje nije potrebna neka velika konfiguracija. Nakon to smo spojili raunalo i ureaj mrenim kabelom, u STEP7 Basic softveru kliknemo na Go online (vidi sliku 22).

Slika 22: Upravljaki izbornik

24

Nakon toga, pojavit e nam se prozor u kojem emo pod Type of the PG/PC interface odabrati PN/IE to zapravo oznaava PROFINET interface. Zatim je potrebno saekati 10 sekundi kako bi raunalo pronalo hardverski PLC ureaj na mrei. Kada kliknemo Go online, ukoliko ve prije nije zadana IP adresa ureaja, Slika 23: Go online prozor povezivanje raunala sa ureajem

softver je moe sam zadati, i kada nam se u grafikom suelju programa pojavi naranasti okvir nalazimo se u online nainu rada (vidi sliku 24).

Slika 24: Online nain rada

25

Sada moemo uitati na program u PLC. Potrebno je kliknuti na download tipku (vidi sliku 22), te nakon toga softver provjerava na program (vidi sliku 25) te upozorava na eventualne pogreke koje je potrebno ispraviti prije nego se program uita u PLC. Ukoliko je sve ispravno, program je spreman za uitavanje i moemo kliknuti na Load.

Slika 25: Provjeravanja programa i priprema za uitavanje

Slika 26: Pokretanja uitanog programa START toga saekamo da se program kompajlira u kod koje ja razumljiv za Nakon nain rada26

hardverski PLC. Kada se program uitao u PLC, oznaimo opciju Start all koja e odmah postaviti PLC u START nain rada. Naini rada koji se koriste kod PLC-a su: START pokree izvravanje uitanog programa STOP zaustavlja izvravanje uitanog programa MAINTENANCE ova opcija resetira memoriju ureaja i brie radnu memoriju CPU. Ne brie uitani program Slika 27: Upravljanje nainima rada

Ovim opcijama upravljamo u desnom izborniku Online tools. Takoer postoje indikatorske LED diode na samom ureaju koje nam prikazuju u kojem se stanju ureaj nalazi. Kada je uitan program i ureaj je postavljen Slika 28: Simulacijski prekidai START nain rada, moemo testirati svoj program. Za testiranje moemo koristiti mali set prekidaa koji dolazi u paketu sa ureajem (vidi sliku 28) i koji su spojeni na ulaze. LED diode (vidi sliku 29) koje oznaavaju ulazni signal (gornji red) indicirat e stanje ulaza, dok e se LED diode na izlazima paliti ovisno o programu. u

Slika 29: Indikacijske LED diode na ureaju

27

Na ovaj nain program moemo testirati bez potrebe za spajanjem dodatnih hardverskih dijelova.

Programiranje PLC mikrokontrolera: LOGO! Soft ComfortLOGO!Soft Comfort je programski paket zc PC tvrtke Siemens prvenstveno namijenjen kao programska podrka LOGO! logiki modul (vidi sliku 31) istoimenme tvrtke. Ovaj softver prua mnoge mogunosti kao npr.: Grafiko suelje za offline kreaciju programa kruga putem Ladder Dijagrama (tablica kontakata / dijagram kruga) ili Function Block Dijagrama (tablica funkcija) Slika 30: LOGO! Soft Comfort verzija 7

Simulacija programa na PC-u Generiranje i ispis tablica pregleda za program Pohranjivanje podrke programa kruga na hard disk ili drugi medij Usporeivanje programa Lagana konfiguracija blokova Premjetanje programa kruga u oba smjera: (sa LOGO! na PC, sa PC na LOGO! ) itanje vrijednosti brojaa sati28

Postavljanje vremena dana Ljetno vrijeme/zimsko vrijeme pretvorba Online test: Prikaz promjena statusa i procesnih varijabli LOGO! u RUN modu: - Status digitalnih I/O, zastavica, bitova registra pomaka i tipki kursora - Vrijednosti svih analognih I/O i zastavica - Rezultati svih blokova - Trenutne vrijednosti (ukljuujui i vremena) selektiranih blokova - Pokretanje i zaustavljanje izvrenje programa putem PC-a (RUN, STOP)

Ono zbog ega je LOGO! Soft Comfort kao softverski paket nama interesantan jest upravo mogunost offline simulacije izraenog programa na PC-u bez potrebe za spajanjem hardvera i prebacivanjem programa. Upravo zato, ideju programa emo prvo realizirati u LOGO! Soft Comfort programskom suelju, testirati i nakon toga prebaciti u STEP7 Basic program (koji nema mogunost offline simulacije na PC-u). LOGO! Soft Comfort kao i STEP7 Basic ima mogunost programiranja u ladder diagramu i u blokovskom diagramu te prebacivanju iz jednog u drugi.

29

Slika 31: LOGO! hardverski ureaj

Osim 8 osnovnih integriranih funkcija (vidi sliku 32), postoje i ostale specijalne funkcije. To su: Timeri Brojai Analogne funkcije Razni elementi

AND (I)

NAND (NI) NOR (NILI)

OR (ILI)

NOT (NE)

XOR (NIL)

AND S AND S BRIDOM BRIDOMSlika 32: Osnovne funkcije u LOGO30 u