Sterownik przemysłowy S7-1200

Sterownik przemysłowy S7-1200

Sterownik przemysłowy S7-1200

Jednostka centralna składa się z modułu procesora, zintegrowanego zasilacza, obwodów wejściowych oraz obwodów wyjściowych. Jednostka zawiera niezbędną logikę do monitorowania i sterowania urządzeniami stanowiącymi elementy aplikacji zgodnie z oprogramowaniem przygotowanym przez programistę. W ramach rodziny sterowników jest kilka wersji, które zestawiono w tabeli 1.1.

Rodzina obejmuje pięć wersji jednostek centralnych, które zilustrowano na rysunku 1.1. Jednostki różnią się wielkością pamięci, liczbą zintegrowanych wejść-wyjść cyfrowych, liczbą możliwych do podłączenia modułów rozszerzeń. Różnice występują również
w typie napięcia zasilania (AC lub DC) oraz typie zintegrowanych wyjść w sterowniku (przekaźnikowe lub tranzystorowe). Jednostkę CPU 1217 zaprojektowano przede wszystkim do sterowania ruchem silników, ponieważ udostępnia funkcję Line Driver I/O.

Tabela 1.1. Zestawienie najważniejszych cech rodziny sterowników S7-1200

Sterownik przemysłowy

Rysunek 1.1. Dostępne modele sterownika S7-1200

Wersje CPU 1215 oraz CPU 1217 mają dwa złącza RJ45, ale tylko jeden adres IP. Dzięki temu nie jest potrzebny dodatkowy switch. Jeżeli chodzi o szybkość wykonywania instrukcji binarnych czy zmiennoprzecinkowych, to wydajność jest taka sama dla każdej z jednostek. Podobnie pisanie kodu programu jest takie samo dla każdego modelu. Program można także przenosić pomiędzy sterownikami.

Budowa zewnętrzna

Kompletny programowalny sterownik logiczny (ang. Programmable Logic Controller), łącznie z wejściami i wyjściami cyfrowymi (ang. Input/Output), jest nazywany stacją lub sterownikiem kompaktowym. 

Wiesz już, że rodzina SIMATIC S7-1200 składa się z pięciu różnych jednostek (stacji). Każda z tych jednostek CPU jest dostępna w wersjach: DC/DC/DC, AC/DC/RLY oraz DC/DC/RLY.

Oznaczenia:

DC — napięcie stałe 24 V (ang. Direct current),

AC — napięcie zmienne 120/230 V (ang. Alternating current),

RLY — przekaźnik (ang. Relay).

Pierwszy człon mówi o rodzaju napięcia zasilania sterownika. W zależności od wersji sterownik może być zasilany napięciem stałym (DC) lub zmiennym (AC). Drugi człon oznacza rodzaj napięcia wejść cyfrowych w sterowniku. Wszystkie sterowniki
mają tylko wejścia cyfrowe, dlatego drugi człon to zawsze DC. Ostatni składnik oznacza typ wyjść cyfrowych w sterowniku. Jednostka może być wyposażona w wyjścia umożliwiające dostarczenie napięcie stałego (DC) lub wyjścia, które
są przekaźnikiem (RLY).


Składniki

Sterownik przemysłowy S7-1200 składa się z kilku ważnych elementów, które zaznaczono na rysunku 1.2.

Rysunek 1.2.

Elementy sterownika S7-1200
Poszczególne elementy sterownika PLC:
1 — złącze zasilające,
2 — gniazdo karty pamięci (pod klapką),
3 — złącze do montażu przewodów,
4 — sygnalizacyjne diody LED,
5 — złącze PROFINET.

sterownik S7-1200

Wbudowane wejścia-wyjścia

Sterownik kompaktowy ma kilka wejść oraz wyjść cyfrowych. Dzięki temu nie są potrzebne dodatkowe moduły, aby można było zastosować sterownik w rzeczywistej aplikacji. Złącza w sterowniku służące do podłączenia sygnałów wejściowych oraz wyjściowych można zdemontować. Dzięki temu nie trzeba rozłączać wszystkich przewodów w przypadku zamiany sterownika PLC.

Wejścia cyfrowe

We wszystkich sterownikach wejścia cyfrowe DI (ang. Digital Input) pracują z dwoma wartościami napięcia — 0 VDC lub 24 VDC. W zależności od jednostki CPU liczba tych wejść jest różna. Każde wejście cyfrowe jest wyposażone dodatkowo w diodę LED,
która informuje o aktualnym poziomie logicznym (logiczne zero lub logiczna jedynka) występującym na danym wejściu. Budowa wejścia cyfrowego została przedstawiona na rysunku 1.3.

Rysunek 1.3. Budowa wejścia cyfrowego

sterownik przemysłowy

Wyjścia cyfrowe

Rodzaje wyjść cyfrowych sterowników z rodziny SIMATIC S7-1200 są omówione poniżej.

Tranzystorowe

Wyjścia cyfrowe DO lub DQ (ang. Digital Output) obsługują wartości napięcia w zakresie 0 – 24 VDC oraz prąd obciążenia do 0,5 A. Łączna moc, jaką można obciążyć wyjście, wynosi 5 W.

Przekaźnikowe

Drugi rodzaj wyjścia, jaki może występować w sterowniku, to styk przekaźnika. Do tego typu wyjścia można podłączyć obciążenie o napięciu do 30 VDC i pobierające prąd do 2 A. Styk przekaźnika można obciążyć w tym przypadku mocą do 30 W. W przypadku
podłączenia urządzenia (np. stycznika), które jest sterowane napięciem zmiennym 230 VAC, styk przekaźnika można obciążyć prądem zmiennym do 2 A. Moc pobierana przez to urządzenie nie może być większa niż 200 W. Budowa wyjścia przekaźnikowego
została przedstawiona na rysunku 1.4.

Wejście analogowe

Każdy sterownik S7-1200 ma także dwa wejścia analogowe AI (ang. Analog Input). Rozdzielczość przetwornika przekształcającego napięcie analogowe na wartości cyfrowe wynosi 10 bitów.

PROFINET

Sterownik PLC może być podłączony do sieci ethernetowej, która w dziedzinie automatyki nazywa się PROFINET. Gniazdo PROFINET zostało przedstawione na rysunku 1.5. W jednostce CPU jest zamontowane gniazdo RJ45 do podłączenia przewodu. Prędkość transmisji 10 lub 100 Mb/s jest automatycznie wykrywana przez sterownik. Jest możliwość zastosowania standardowego przewodu ethernetowego lub kabla krosowanego.

Rysunek 1.4. Budowa wyjścia przekaźnikowego

sterownik S7-1200

Rysunek 1.5. Gniazdo PROFINET

s7 -1200

Za pomocą portu PROFINET można połączyć sterownik z programatorem (komputerem PC), panelem HMI lub innym sterownikiem PLC. W przypadku połączenia większej liczby urządzeń należy zastosować switch, którym może być CSM 1277.

Budowa wewnętrzna

W sterownikach S7-1200 występuje pamięć systemowa oraz pamięć użytkownika. Rysunek 1.6 ilustruje model pamięci.

sterownik przemysłowy

Rysunek 1.6. Model pamięci w sterowniku S7-1200 [1]

Każdą z pamięci można podzielić na mniejsze grupy.

Pamięć systemowa

Obraz procesu — to właśnie tutaj jest przechowywany obraz wejść i wyjść cyfrowych, którego odczytem i zapisem zajmuje się firmware sterownika. W większości przypadków będziesz korzystał z tego obrazu w celu uzyskania dostępu do wejść i wyjść cyfrowych. Przykład dostępu do obrazu wejść przedstawiono na listingu 1.1.

Listing 1.1. Przykładowy dostęp do pamięci obrazu wejść

#StanWejścia := %I0.3;

Tak realizuje się przypisanie stanu wejścia do zmiennej StanWejscia. Przykład dostępu do obrazu wyjść pokazano na listingu 1.2.

Listing 1.2. Przykład dostępu do pamięci obrazu wyjść

%Q0.4 := TRUE;

W ten sposób stan wyjścia o adresie fizycznym Q0.4 ustawiono w stan wysoki (logiczne 1). Oczywiście istnieje możliwość bezpośredniego dostępu do wejść fizycznych, co ilustruje listing 1.3.

Listing 1.3. Bezpośrednie wykorzystanie wejścia cyfrowego

#StanWejścia := %I0.3:P;

Bufor komunikacyjny — pozwala na przechowywanie danych podczas komunikacji z innymi urządzeniami. Programista nie ma możliwości dostępu do tego obszaru pamięci.

Bufor diagnostyczny — w przypadku wystąpienia zdarzenia, które wpływa na pracę systemu lub programu użytkownika, w tym obszarze pamięci jest umieszczana odpowiednia informacja. Odczyt bufora diagnostycznego polega na połączeniu online ze sterownikiem za pomocą TIA Portal.

Stos — pozwala na przechowywanie chwilowych danych związanych z pracą programu użytkownika oraz samego systemu operacyjnego sterownika PLC. Dzieli się na stos lokalnych danych (L stack, wykorzystywane przez bloki OB, FB oraz FC do przechowywania tymczasowych zmiennych), stos bloków (B stack, do przechowywania informacji o zagnieżdżeniu wywołań funkcji FB oraz FC), stos przerwań (I stack, przechowuje zgłoszone przerwania do obsługi).

Pamięć użytkownika

Pamięć ładowania — miejsce zapisu projektu (oprogramowania sterownika). Mieszczą się tam również ustawienia konfiguracyjne sterownika oraz dane tworzące kod programu. Pamięć ładowania może znajdować się bezpośrednio w CPU lub na specjalnej karcie pamięci firmy Siemens.

Pamięć robocza RAM — pamięć ulotna (tracona po zaniku zasilania) przechowująca część programu podczas jego wykonywania w celu wydajniejszego wykonywania. System operacyjny CPU decyduje, które elementy z pamięci ładowania mają trafić do pamięci roboczej.

Pamięć trwała — pamięć nieulotna przechowująca określoną w dokumentacji liczbę danych z pamięci roboczej RAM. W przypadku CPU 1211C pamięć trwała ma wielkość 10 kB. Dane, które mają być zapamiętane w przypadku zaniku zasilania, są zaznaczane przez programistę w trakcie tworzenia zmiennej (można to też zrobić w dowolnym innym momencie).

Aktualny poziom zużycia pamięci użytkownika można sprawdzić, wybierając Program info w drzewie projektu i następnie wskazując zakładkę Resources. 

Cykl programu oraz tryby pracy

Sterownik przemysłowy S7-1200 ma trzy tryby pracy:

STOP — program użytkownika nie jest wykonywany. Istnieje możliwość wczytania projektu do sterownika lub połączenia się online, 

STARTUP — wykonywany jest startowy blok organizacyjny OB100, podczas którego nie są wykonywane przerwania. Jest to blok startowy, w którym można umieścić np. inicjalizację zmiennych wartościami, od których sterownik powinien zacząć realizację programu. W OB100 odczytanie wejść może być jedynie zrealizowane metodą fizycznego odwołania się do danego wejścia,

RUN — jest wykonywany cyklicznie blok organizacyjny OB1, który może być chwilowo zatrzymany na czas obsługi przerwania.
Diody LED umieszczone na płycie czołowej sterownika PLC informują o aktualnym trybie pracy:

STOP — stałe światło pomarańczowe,

RUN — stałe światło zielone,

stan inicjalizacji — naprzemienne miganie światła pomarańczowego (STOP) i zielonego (RUN),

ERROR — migające lub stałe światło czerwone,

MAINT — stałe lub migające światło pomarańczowe (związane z kartą pamięci).

Widok diod LED został przedstawiony na rysunku 1.7.

Rysunek 1.7. Diody LED informujące o trybie pracy PLC

sterownik s7-1200

Po włączeniu napięcia zasilania CPU może być w jednym z trybów pracy, który definiuje się w parametrach konfiguracyjnych (zakładka Startup) za pomocą TIA Portal. Na rysunku 1.8 przedstawiono dostępne tryby pracy.

sterownik przemysłowy

Rysunek 1.8. Konfiguracja trybu pracy po włączeniu zasilania w PLC

W polu Startup after POWER ON można wybrać następujące tryby:

No restart (stay in STOP mode) — CPU zostaje w trybie STOP,

Warm restart - RUN — sterownik przechodzi do trybu RUN (poprzez wcześniejsze przejście przez STARTUP),

Warm restart - mode before POWER OFF — jednostka CPU przechodzi do trybu pracy, w którym była przed zanikiem zasilania.

Parametr Comparison present to actual configuration pozwala określić, czy sterownik może przejść w tryb RUN w przypadku niezgodności konfiguracji sprzętowej (np. braku modułów rozszerzeń dołączonych do sterownika) wgranej do sterownika z aktualnie wykrytą konfiguracją. Wybranie opcji Startup CPU even if mismatch spowoduje przejście sterownika w tryb RUN, jeżeli występuje niezgodność konfiguracji.

Siemens zaleca zawsze wybranie opcji Warm restart - RUN, aby po każdym włączeniu zasilania sterownik dążył do przejścia w tryb RUN. Zalecenie wynika z faktu, że aktualny tryb pracy można zmienić jedynie przez połączenie się online ze sterownikiem.
Oprócz realizacji samego kodu programu umieszczonego w OB1, jest wykonywanych kilka innych czynności podczas kompletnego cyklu programu, co przedstawiono na rysunku 1.9.

Rysunek 1.9. Cykl programowy w sterowniku PLC

sterownik przemysłowy

Opis każdego etapu umieszczono poniżej.

Odczyt wejść — stan fizyczny wejść jest zapisywany w obszarze pamięci systemowej (w pamięci procesu) sterownika specjalnie przeznaczonej do tego celu.

Wykonanie programu — CPU wykonuje kod programu użytkownika, który może być zatrzymany na czas obsługi przerwania. Stany wyjść wypracowane w trakcie realizacji programu są zapisywane w obszarze pamięci systemowej sterownika specjalnie przeznaczonej do tego celu.

Diagnostyka, komunikacja — sterownik przeprowadza samodiagnostykę oraz komunikuje się ze środowiskiem TIA Portal, jeżeli programista podgląda na żywo (online) wykonywany aktualnie program.

Uaktualnianie wyjść — CPU przepisuje stany wyjść z obszaru pamięci systemowej do fizycznych wyjść.

Idea przechowywania stanu wejść i wyjść w trakcie realizacji programu umożliwia uzyskanie pewności, że dane pozostają stałe w tym czasie. Zapewnia to spójność logiki oraz stabilność pracy aplikacji [7].

Sterownik przemysłowy S7-1200

Rosnące wymagania technologiczne i dążenie do wzrostu wydajności produkcji zmuszają do poszukiwania wydajniejszych systemów sterowania procesem produkcyjnym. Klienci oczekują wyższej wydajności produkcji, zgodności z normami bezpieczeństwa oraz prostego sposobu serwisowania urządzeń w trakcie pracy. Firma Siemens ciągle stara się sprostać wymaganiom klienta, o czym świadczy bogata oferta sterowników. Każdy sterownik wymaga napisania programu, aby mógł wykonywać określone zadania. 

Programowanie to po prostu umiejętność. Trzeba poświęcić określoną liczbę godzin, aby tworzyć dobre programy. Tak jak w każdej dziedzinie — trening czyni mistrza. Najlepiej ćwiczyć na rzeczywistym sprzęcie, wykonanym w nowej architekturze. W przypadku sterowników firmy Siemens takimi urządzeniami są przede wszystkim S7-1200 oraz S7-1500. Jak pewnie wiesz, sterownik S7-1500, który pojawił się na rynku około 2013 roku, był dedykowany do bardzo dużych i zaawansowanych pod względem sterowania aplikacji. Duże możliwości wiążą się z wysoką ceną. Do rozpoczęcia nauki programowania sterowników PLC najlepszym wyborem będzie S7-1200. Jeżeli opanujesz zagadnienia związane z tym modelem, to bez problemu poradzisz sobie z S7-1500. To, co można zrobić na S7-1200, można także wykonać na S7-1500. Kod można przenieść praktycznie bez zmian.

? Sprawdź czy znasz podstawowe symbole elektryczne.

Zestaw startowy S7-1200

Czy warto od razu kupować zestaw startowy do nauki programowania? To pytanie zadaje większość młodych programistów. Jeżeli interesujesz się tematyką PLC, to zapewne wiesz, że jest kilka zestawów startowych zawierających różne modele sterowników
PLC firmy Siemens. Te zestawy są dobre, ale w późniejszym etapie nauki. Na samym początku młody automatyk-programista nie wykorzysta możliwości tych zestawów. Co w takim razie wybrać?

Firma Siemens zauważyła tę niedogodność i przygotowała wspólnie ze sklepem kamami.pl nowy zestaw startowy specjalnie dla osób stawiających pierwsze kroki w pracy ze sterownikami PLC. Najlepiej zacząć naukę od sprzętu, który jest nowością na rynku,
dlatego zestaw startowy składa się ze sterownika SIMATIC S7-1200. Ten zestaw startowy jest atrakcyjną ofertą, ze względu na jego stosunkowo niską cenę. Z tej oferty może skorzystać każdy. Wygląd zestawu startowego został przedstawiony
na rysunku 1.10.

sterownik S7-1200
Rysunek 1.10. Zestaw startowy

Sterownik SIMATIC S7-1200 jest urządzeniem bardzo często wykorzystywanym w przemyśle do aplikacji o różnych wielkościach. To urządzenie idealnie nadaje się do poznania sterowników PLC firmy Siemens, które są wykonane w nowej architekturze.

Zdobytą wiedzę można wykorzystać przy konfiguracji innych modeli, ponieważ jest zachowana spójność programistyczna wszystkich nowych produktów firmy Siemens. Kompletny zestaw startowy zawiera elementy wymagane do rozpoczęcia nauki programowania dla każdego, bez względu na poziom doświadczenia związanego z zagadnieniami elektroniki lub automatyki.

Zestaw startowy składa się z następujących elementów:

  • sterownik SIMATIC S7-1200 (CPU1211C, 6ES7211-1AE40-0XB0) z firmware v4.1 lub nowszym,
  • oprogramowanie w wersji eval,
  • dokumentacja techniczna na DVD.

Jeżeli jesteś uczniem lub studentem i chcesz się rozwijać w kierunku związanym z automatyką i sterownikami PLC, to ten zestaw jest dobrym wyborem na początek. Wszystkie szczegóły znajdują się na stronie dostawcy. Sterownik jest w pełni funkcjonalnym urządzeniem (nie jest to okrojona wersja). Potrzebuje ono podłączenia zasilania 24 VDC. Do tego celu możesz wykorzystać dowolny zasilacz, który dostarczy takie napięcie oraz prąd 1 A lub więcej. Do pracy z tym sterownikiem nie jest potrzebna karta pamięci. Będzie Ci tylko potrzebny dowolny kabel ethernetowy.

Jednostkę wybrano ze względu na niską cenę katalogową oraz dostępność wszystkich funkcji sterownika, co pozwala na praktyczne ich przetestowanie. Kolejny powód to bezpieczne napięcie zasilania, co jest ważne dla bezpieczeństwa początkujących użytkowników i korzystne podczas testowania sprzętu. Wyjścia tranzystorowe charakteryzują się dłuższą pracą, ponieważ nie mają określonej liczby przełączeń jak przekaźnik. Wadą jest niższa wydajność prądowa wyjścia tranzystorowego (0,5 A). Jeżeli element wykonawczy (np. syrena alarmowa) pobiera większy prąd, trzeba zastosować zewnętrzny przekaźnik. Późniejsza wymiana przekaźnika jest tańsza niż wymiana całego sterownika. Niestety, nie ma możliwości rozszerzenia CPU 1211C o dodatkowe moduły wejść-wyjść (jedyny sposób to zastosowanie płytki sygnałowej lub rozproszonych wejść-wyjść, np. ET200sp). Należy również pamiętać, że tylko sterowniki z wyjściami tranzystorowymi mają sprzętowe wyjścia PWM oraz PTO.

Jeżeli w przyszłości będziesz potrzebował większej pojemności pamięci, to należy wybrać np. CPU 1212C. Programowanie w S7-SCL jest takie samo dla wszystkich wersji sterowników. Drobne różnice występują jedynie podczas konfiguracji sprzętowej.
Zastanawiasz się, czy ten sterownik warto mieć na swoim biurku? Przeznaczeniem zestawu jest umożliwienie nauki programowania sterownika PLC. Sam zestaw startowy to za mało. Potrzebujesz też jakichś materiałów, aby poznawać kolejne aspekty sterownika. I na pewno interesuje Cię strona praktyczna.

Szkoła programisty PLC. Sterowniki Przemysłowe, Tomasz Gilewski. wyd. Helion

Podobne artykuły

Podziel się ze znajomymi tym artykułem - udostępnij na FB lub wyślij e-maila korzystając z poniższych opcji:

wszystkie oferty