Modelul Simplificat al Sistemului de Irigare

1. Introducere…………………………………………………………………………………………………………………….2

2. Analiza Stadiului Actual de Rezolvare a Temei………………………………………………………………….3

2.1. Exemple de metode de irigare………………………………………………………………………………………..3

2.2. Avantajele utilizarii sistemului de irigare in functie de vreme…………………………………………..5

2.3. Modul de funcționare al sistemului de irigare dependent de vreme……………………………………8

2.4. Senzorii și elementele de execuție folosite in sistem…………………………………………………………9

3. Proiectarea Modelului Simplificat al sistemului de irigare…………………………………………………….21

4. Implementarea Modelului Simplificat al sistemului de irigare……………………………………………….28

4.1. Familia de PLC-uri Simatic S7-300…………………………………………………………………………………29

4.1.1. Conectarea echipamentului de programare…………………………………………………………………….35

4.1.2. Conectarea a două PLC-uri prin intermediul PROFIBUS………………………………………………..38

4.2. Programarea în STEP 7………………………………………………………………………………………………….45

4.2.1. Simatic Manager………………………………………………………………………………………………………..46

4.2.2. Crearea unui program în OB1……………………………………………………………………………………..59

5. Simularea Programului și Interfața HMI ……………………………………………………………………………66

5.1. SIMATIC WinCC Flexible……………………………………………………………………………………………66

5.2. SIMATIC S7-PLCSIM…………………………………………………………………………………………………73

6. Concluzii……………………………………………………………………………………………………………………….78

Summary …………………………………………………………………………………………………………………….. ….79

Bibliografie……………………………………………………………………………………………………………………….80

Anexe ………………………………………………………………………………………………………………………………82

Capitolul 1

Introducere

Lucrarea intitulata „Sistem automat experimental bazat pe PLC pentru irigarea gazonului in functie de vreme” are ca obiectiv prezentarea unui mod de automatizare a irigarii gazonului in functie de vreme.

Acest sistem de irigare este implementat cu ajutorul unui automat programabil fabricat de firma Siemens, mai concret un PLC Simatic din familia S7-300. Am ales acest PLC deoarece îndeplinește cerințele referitoare la numărul de resurse alocate CPU-ului, la flexibilitatea automatului și la numărul de intrări și ieșiri digitale. De asemenea, software-ul pus la dispoziție de către producător se numește STEP 7 și este folosit pentru programarea PLC-ului în mai multe limbaje de programare (STL, LAD, FBD). Pentru proba practică am folosit limbajul Ladder Logic (LAD) în programarea PLC-ului. Capitolul 1 are rol de introducere așa că vom continua cu capitolul 2 in care sunt prezentate noțiuni generale despre automate programabile, familia de PLC-uri S7-300 produse de firma Siemens și informații privind senzorii și elementele de execuție ce apar în acest sistem de irigare in functie de vreme.

În capitolul 3 este descris modul în care funcționează sistemul de irigare. Sunt prezentate scheme cu senzorii și elementele de execuție ce apar în sistem.

Capitolul 4 cuprinde informații generale despre familia de PLC-uri S7-300 cât și despre PLC-ul folosit pentru proba practică. Tot în cadrul acestui capitol este prezentat procesul de realizare a unui program în STEP7 folosind limbajul Ladder Logic, începând cu configurarea hardware și ajungând la crearea unor circuite simple.

Capitolul 5 are ca scop prezentarea a două programe oferite de firma Siemens. Primul program se numește S7-PLCSIM și oferă posibilitatea simulării programelor realizate în STEP7 pe un PLC virtual. Cel de-al doilea se numește WinCC Flexible și este conceput pentru a oferi operatorului o interfață de monitorizare a procesului.

În cadrul capitolului 6 sunt prezentate principalele concluzii ale temei.

Capitolul 2

Analiza stadiului actual de rezolvare a temei

2.1. Exemple de metode de irigare ale gazonului

Metodele de irigare sunt de 2 tipuri:

● Manuala;

● Automata;

Metodele de irigare manuala se refera la udarea dependenta de o persoana. Udarea manuala se face de cele mai multe ori cu un pistol de apa care creaza o perdea de apa.

Irigarea automata consta intr-un sistem de aspersoare comandate de un programator. Cele mai intalnite sisteme automate sunt programate sa ude in functie de un anumit interval orar. In aceasta lucrare nu se va mai tine cont de intervalul orar, ci de 3 parametrii necesari irigarii eficiente a gazonului.

Exista 2 tipuri de sisteme de irigare:

Sisteme de irigare pentru agricultura;

Siteme de irigare pentru zonele rezidentiale.

Sistemele de irigat folosite in domeniul agricol sunt cele mai complexe datorita suprafetelor mari pe care functioneaza si a faptului ca trebuie administrat corect si ingrasamantul odata cu apa. In domeniul agricol cele mai intalnite metode de irigare sunt: prin picurare, prin microaspersie si prin aspersie.

Pornind de la sistemele de irigare folosite in domeniul agricol, in ultimul timp s-au dezvoltat puternic si sistemele pentru zonele rezidentiale folosite la irigarea spatiilor verzi. Aceste sisteme sunt din ce in ce mai folosite datorita eficientei lor, in comparatie cu irigarea manuala unde cantitatea de apa nu poate fi controlata pe o anumita suprafata, astfel viteza de crestere a gazonului fiind influentata de cantitatea de apa, de aici rezultand o crestere neuniforma.

Un sistem de irigare automat pentru gazon proiectat corect, va mentine un gazon sanatos pentru o lunga perioada de timp, chiar si fara ingrasamant, apa fiind cel mai important factor in cresterea gazonului.

Proiectarea unui astfel de sistem nu este foarte dificila. Se impune cunoasterea cu exactitate a dimensiunilor terenului si presiunea de apa care o poate genera pompa. In cazul unui teren cu o forma geometrica neregulata, acesta se imparte in forme geometrice regulate. Cunoscand razele de acoperire a aspersoarelor se trece la marcarea lor pe figura determinata. Presiunea generata de pompa ne ajuta la determinarea numarului maxim de aspersoare pe care il putem folosi astfel incat randamentul lor sa nu scada. Daca avem o suprafata mare de irigat care implica mai multe aspersoare, impartim toata suprafata in mai multe zone, deci mai multe circuite de apa. Aceasta impartire se face cu ajutorul electrovalvelor care pot fi comandate pe rand cu ajutorul programatorului.

In urmatoarea fotografie avem un exemplu de proiectare al unui sistem automat de irigare al gazonului:

Exemplu de sistem cu mai multe zone/electrovalve:

2.2. Avantajele utilizarii sistemului de irigare in functie de vreme

Udari regulate

Anumite culturi au nevoie de udari care sa aiba loc in anumite momente ale zilei sau la anumite intervale de timp, iar in cazul in care se depinde de o persoana in acest sens, lucrurile pot deveni dificile. Sistemele de irigare pot fi programate sau pornite in orice momement, asa ca nu vor exista probleme din acest punct de vedere.

Uniformitate si acurate in distribuirea apei

Atunci cand udarile se fac manual, este foarte posibil ca la anumite plante apa sa nu fie suficienta, iar la altele sa fie mult prea multa. In acest sens, un sistem de irigare distribuie apa in mod uniform, astfel ca toata cultura se va bucura de aceeasi cantitate de apa.

Reducerea consumului de apa

Sisteme inteligente de irigatie nu pornesc in perioadele ploioase, astfel ca se economisesc cantitati mari de apa atunci cand este cazul. De asemenea, spre deosebire de udarile manuale, sistemele de irigare distribuie o cantitate potrivita de apa, astfel incat sa nu se faca risipa .

Mai mult decat atat, pentru ca in anumite cazuri udarile se pot face si noaptea, nu se va mai pierde apa prin evaporare din cauza caldurii excesive.

Risc scazut de imbolnaviri micotice

Atunci cand solul se incalzeste prea tare, creste riscul de aparitie a bolilor si a infectiilor culturii, iar cum pe timp de vara, majoritatea zilelor sunt caniculare, problema devine cu atat mai mare. Un sistem de irigare racoreste in mod periodic solul si previne astfel aparitia imbolnavirilor.

Investitia se amortizeaza rapid

Atunci cand udarea se face manual pe suprafete mari, este nevoie de cel putin 3 – 4 angajati care sa faca toata aceasta treaba. In cazul unui irigator automat, investitia se va amortiza intr-un timp relativ scurt, in functie si de marimea terenului.

Pe langa cele enumerate mai sus, unul din avantajele majore ale unui sistem de irigare in functie de vreme este ca acesta poate mentine umiditatea in sol intre anumite praguri, alt avantaj este ca protejeaza gazonul sa nu fie ars in momentele cand soarele este foarte puternic, iar consumul de apa este mai mic fata de sistemele clasice datorita senzorului de umiditate.

In figura 4 este o fotografie a unui gazon udat manual. Sunt zone de culoare verde deschis cu iarba care este inca in viata si reprezinta zonele care au fost udate dar nu suficient, si zone galbene in care iarba s-a uscat din cauza lipsei totale de apa. Este cea mai demonstrativa fotografie a irigarii neuniforme:

Fig 4: Irigare neuniforma

In figura 5 este prezentat un gazon care este irigat automat cu aspersoare in fiecare seara. Culoarea gazonului este mai inchisa in comparatie cu figura anterioara, ceea ce rezulta ca are mai multa apa, dar firele sunt rare din cauza excesului de apa din anumite zile care depind de starea vremii.

Fig.5: Irigare automata cu aspersoare (interval orar)

Figurile 6 si 7 sunt reprezentate de un gazon irigat cu ajutorul unui sistem dependent de vreme. Culoarea gazonului este uniforma si firele de iarba sunt foarte dese. Din aceste 2 proprietati rezulta ca solul gazonului are umiditate constanta, iar firele de iarba nu sunt arse deloc din cauza caldurii.

Fig.6

Fig. 7

2.3. Modul de funcționare al sistemului de irigare dependent de vreme

Functionarea unui astfel de sistem este dependent de cei 3 senzori care reprezinta parametrii principali in dezvoltarea corecta a gazonului:

Umiditate;

Intensitate a soarelui;

Temperatura la nivelul solului;

Daca umiditatea se afla in intervalul stabilit, sistemul nu mai citeste valorile celorlalti senzori si ramane in modul OPRIT. Cand umiditatea scade sub pragul impus, sistemul trece la urmatorul pas, acela de a citi valoarea senzorului de intensitate a soarelui. Daca aceasta valoare se afla peste o limita, sistemul intra in ASTEPTARE pana cand valoarea scade sub pragul impus. Dupa ce este indeplinit si acest factor sistemul trece la urmatorul pas si anume la citirea temperaturii de la nivelul solului. Daca valoarea temperaturii este peste limita stabilita sistemul ASTEAPTA pana in momentul in care aceasta scade, dupa care intra in modul de FUNCTIONARE cand este actionata pompa de apa.

Pompa de apa functioneaza pana cand unul din parametrii de mai sus atinge limita impusa, dupa care procesul se repeta.

2.4. Senzorii și elementele de execuție folosite in sistem

2.4.1. Senzori

Senzorii sunt dispozitive electronice care detectează schimbări în cadrul procesului, le transformă în semnale electrice. Aceste semnale electrice sunt preluate mai departe de către modulele de intrare digitale sau analogice ale PLC-ului și prelucrate de către CPU.

În anumite cazuri este necesară prelucrarea semnalelor pentru a putea fi utilizate de către PLC, aceste prelucrări se pot clasifica astfel :

Amplificarea – pentru situațiile în care semnalul de la ieșirea senzorului este prea mic sau nu corespunde standardelor

Eliminarea zgomotelor – acest tip de prelucrare este necesară în aproape toate situațiile, deoarece senzorii lucrează în medii industriale

Filtrarea semnalelor – este realizată pentru a selecta numai componenta utilă

În plus față de prelucrările menționate mai sus, încă din faza de proiectare trebuie avut în vedere faptul că senzorul se află într-un mediu industrial și este supus unor perturbații ce pot fi de natură mecanică, electrică, termică etc. De asemenea nu trebuie neglijată nici interacțiunea inversă, adică a senzorului asupra instalației. Trebuie minimizată (de preferat eliminată) orice tip de poluare (chimică, acustică, electrică etc.) produsă de senzor în timp ce acesta este activ sau inactiv.

Se poate spune ca există o diferență între traductoare și senzori, deși problema este discutabilă. Una din definițiile larg acceptate spune despre traductoare că transformă o formă de energie (aplicată la intrare) într-o altă formă de energie (obținută la ieșire) în baza unei dependențe cunoscute, iar despre senzori că sunt traductoare particulare ce oferă la ieșire o mărime electrică.

În sistemele automatizate, datorită prezenței mișcărilor, sunt detectate sau măsurate :

Proximitatea (contactul, prezența)

Poziția și viteza

Forța și presiunea

Vibrația și accelerația etc.

Tipuri de senzori folosiți în instalațiile industriale :

Senzori de proximitate capacitivi și inductivi

Senzori foto-electrici

Senzori de debit

Senzori de presiune, etc.

Sistemul de irigare in functie de vreme foloseste 2 senzori si o celula solara:

Senzorul de umiditate: care funcționează la 3,3-5V

Fig.8

Senzorul de temperatura: Am folosit un senzor waterproof (rezistent la apa) ce foloseste 3 fire de conectare: unul pentru semnal si celelalte 2 pentru alimentare.

Fig. 9

Celula solara am folosit-o pentru a masura intensitatea soarelui.

O celula solara consta din doua sau mai multe straturi de material semiconductor, cel mai intalnit fiind siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprinsa intre 0,001 si 0,2 mm si sunt dopate cu anumite elemente chimice pentru a forma jonctiuni „p” si „n”. Este o structura similara unei diode. Cand stratul de siliciu este expus la lumina se va produce o agitatie a electronilor din material si va fi generat un curent electric.

Fig. 10

2.4.2 Elemente de executie

Elementele de execuție sunt elementele prin care un PLC influențează procesul, după algoritmul programului încărcat în PLC. In sistemul de irigare elementul de executie este un motor de curent continuu alimentat la 12v, reprezentat prin pompa de apa.

Fig. 11

Capitolul 4. Implementarea modelului simplificat al sistemului de irigare cu PLC

Firma Siemens prin intermediul PLC-urilor modulare oferă în continuare servicii excelente și soluții eficiente pentru majoritatea proceselor industriale ce necesită folosirea unor automate programabile pentru controlul procesului.

Automatele programabile Simatic reprezintă baza sistemului de automatizare. Cele 3 tipuri de automate oferite de firma Siemens cu design modular sunt:

S7-200 – acest automat programabil este folosit pentru automatizări de dimensiuni reduse (casnice) cu posibilitatea conectării la rețea; limbajul de programare folosit este STEP 7 MicroWin.

S7-300 – acest tip de automat este folosit cu precădere pentru automatizări de dimensiuni medii, în plus de asta, S7-200 oferă posibilitatea de conectare a sursei pe șina centrală. Automatul este conceput pentru a fi folosit în medii industriale (lucrul în medii cu condiții dificile). Limbajul folosit pentru programare este STEP 7. În cazul acestui tip de automat, slot-urile sunt numerotate astfel:

1- pentru sursa de alimentare

2- pentru unitatea centrală de procesare

3- pentru modulul de interfață

4- pentru cele 11 module intrare/ieșire ce pot fi adăugate în funcție de necesitate

S7-400 – se folosește pentru automatizările complexe, având o capacitate de procesare mai mare decât a celorlalte tipuri de automate. De asemenea, există posibilitatea conectării la aceeași sursă a două unități centrale de procesare, astfel obținând capacitatea de multiprocesare.

4.1 Familia de PLC-uri Simatic S7-300

Automatele programabile Simatic S7-300 sunt concepute astfel încât să poată fi folosite într-un mediu industrial, să reziste în timp și să satisfacă cerințele clienților. În funcție de aplicația ce urmează a fi implementată, automatul poate fi ales dintr-o gamă largă adăugându-se pe parcurs module de intrare/ieșire, module funcționale, sau module de comunicație. Crearea programului ce va fi ulterior încărcat în memoria PLC-ului, se poate face cu ajutorul mai multor limbaje de programare: Ladder Logic (LAD), Function Block Diagram (FBD) și Statement List (STL).

În cazul în care se utilizează un card de memorie, nu mai este necesară folosirea unei baterii de rezervă, reducând astfel costurile de întreținere. Datele aflate într-un proiect, inclusiv simboluri și comentarii sunt stocate pe cardul de memorie, fapt ce ajută la găsirea și corectarea mai rapidă a erorilor.

Un CPU de tipul Simatic S7-300 are în componența sa numărătoare, temporizatoare și alte elemente pentru calcule aritmetice. PLC-urile sunt echipate cu blocuri de control integrate care nu ocupă spațiu în memorie.

Pentru sistemul de irigare vom folosi o sursă de alimentare, un CPU 315-2DP, un modul de intrari analogice SM331, un modul de intrări digitale SM321 și un modul de ieșiri digitale SM322.

Structura hardware a PLC-ului:

Fig.12

Componentele unui PLC sunt următoarele :

Sursa de alimentare (Opțională)

Unitate centrală (CPU)

Card de memorie (Pentru CPU 313 și mai avansate )

Module de intrare

Module de ieșire

Module de funcții (opțional)

Modul de comunicații de date (opțional).

Sursa de tensiune:

Sursa de tensiune oferă la ieșire 24V DC necesari alimentării celorlalte module. Mărimea sursei depinde printre altele și de numărul modulelor. Unitatea centrală (CPU) este conectată direct la sursa de tensiune. In acest proiect am folosit o sursa care are aceiasi parametri cu cea oferita de firma Siemens.

Unitatea centrală:

Unitatea centrală (CPU) reprezintă componenta centrală de control a sistemului în cadrul căreia programul este executat.

Fig.13

În CPU se află un microprocesor care controlează ieșirile în funcție de intrări și de program, urmărind 3 etape:

Unitatea centrală verifică starea intrărilor (dacă acestea sunt high sau low)

Citește programul aflat în CPU

Controlează ieșirile prin trimiterea unui semnal care schimbă starea ieșirii din high în low sau invers.

Fig.14 Panou frontal CPU 315-2DP

Indicatori de stare și eroare

Slot pentru cardul de memorie (Simatic Micro Memory Card)

Selectorul de mod

Interfața X1 (MPI pentru CPU 315-2 DP)

Interfața X2 (DP)

Conexiunea sursei de alimentare

Indicatori de stare și eroare pentru CPU 315- 2 DP:

Selectorul de mod

Zonele de memorie ale PLC-ului

Fig.15. Zonele de memorie

Memoria de încărcare

Memoria de încărcare este situată pe cardul de memorie SIMATIC Micro Memory Card și are aceeași dimensiune cu cea a cardului de memorie. Este folosită pentru a stoca blocuri de cod, blocuri de date și date de sistem (configurația, conexiunile, parametrii modulelor etc.). Blocurile identificate ca fiind irelevante pentru execuție sunt stocate exclusiv în memoria de încărcare.

Observație: Este necesar ca un card SIMATIC Micro Memory Card să fie introdus în CPU pentru ca utilizatorul să-și introducă programul și pentru ca CPU-ul sa devină operațional.

Memoria Sistemului

Memoria sistemului este integrată în CPU și nu poate fi mărită. Ea conține :

Zonele de adresă pentru biții de memorie, temporizatoare și numărătoare;

Imaginile intrărilor și ieșirilor;

Date locale.

Memoria Principală

Memoria principală este și ea integrată în CPU și nu poate fi mărită. Aceasta este folosită pentru executarea codului și prelucrarea datelor din programul utilizatorului. Programele pot rula numai în memoria principală și în memoria sistemului.

Module de extensie

În funcție de sistemul de automatizare se adaugă și modulele de extensie. Acestea pot fi de mai multe tipuri :

Digital module – modul de intrări și ieșiri digitale;

Analog module – modul de intrări și ieșiri analogice;

Function module – modul cu funcții încorporate;

Special module – modul special pentru simulare;

Communication module – modul de comunicație.

Modulele de extensie folosite în sistemul de irigare in functie de vreme sunt următoarele :

Modulul de intrari analogice SM331

Fig. 16

Modulul de intrari digitale SM321

Fig.17

Modulul de iesiri digitale SM322

Fig. 18

4.1.1. Conectarea echipamentului de programare

Programarea unui PLC din familia S7-300 se poate face cu ajutorul unui PC sau laptop pe care se află instalat programul STEP7.

Conexiunea dintre PC-ul sau laptop-ul cu STEP7 instalat se face cu ajutorul unui adaptor MPI (Multi Point Interface) care la rândul lui necesită instalarea unui soft pentru a putea funcționa corespunzător. După instalarea acestuia se va conecta adaptorul la PC sau laptop prin USB și apoi la PLC. În acest moment conexiunea dintre PLC si PC este activă și se poate descărca în memoria PLC-ului programul conceput de utilizator.

Fixarea PLC-ului pe șină

Fixarea corectă a unui modul pe șină se face mai întâi prin plasarea părții superioare peste șină, iar apoi apăsând partea inferioară și fixând permanent modulul prin șurubul din partea inferioară. Primul modul amplasat pe sină este sursa de alimentare, în cazul în care aceasta este cea oferita de Siemens. În caz contrar, sursa este fixată separat.

Fig.19. Fixarea sursei de alimentare

Lângă sursa de alimentare este fixat CPU. Înainte de fixarea CPU-ului pe șină, se conectează magistrala pe spatele acestuia. Această magistrală este folosită pentru transferul de date dintre CPU și modulele de intrare/ieșire.

Fig.20. Conectarea magistralei

Alimentarea CPU-ului de la sursa de alimentare se face fie simplu prin două fire sau cu ajutorul conectorului special.

Fig.21. Alimentare sursă

Imediat lângă CPU sunt plasate de obicei modulule de intrare. La fel ca la CPU, trebuie conectată magistrala pe spatele acestora înainte de fixarea pe șină.

Toate modulele care se adaugă în continuare vor fi conectate urmărind etapele de mai sus.

4.1.2. Conectarea a doua PLC-uri prin intermediul PROFIBUS

Magistrala FieldBus

Fieldbus este o magistrală de date pentru rețelele distribuite, industriale, cu operare în timp real. În majoritatea fabricilor se folosește un sistem ierarhizat de control și monitorizare pentru a putea menține o linie automatizată la un nivel cât mai apropiat de cel optim de funcționare. Nivelul superior în cadrul acestei ierarhii este ocupat de o interfață HMI, ce oferă posibilitatea operatorului de a monitoriza și controla întregul proces. Interfața HMI comunică cu nivelul următor, de obicei reprezentat de PLC-uri.

Nivelul situat la baza acestei ierarhii este reprezentat de magistrala Fieldbus care realizează conexiunea între PLC-uri și elementele din proces, adică senzori, întrerupătoare, elemente de execuție etc.

Sistemele de control analogice produc semnale unificate de 4-20mA care sunt transmise între centrul de control și unitățile de procesare. Necesitatea transmiterii acestor semnale între nivelele sistemului ierarhizat a dus la creșterea numărului de cabluri folosite. Astfel că pe măsură ce sistemele au devenit mai complexe, cablurile s-au înmulțit. Din acest motiv a apărut magistrala Fieldbus prin intermediul căreia se putea face acest transfer de semnale, fără un număr mare de cabluri.

Standardele internaționale IEC 61158 și IEC 61784-1, definesc PROFIBUS ca un standard de comunicație deschis. PROFIBUS este ideal pentru comunicații complexe, deoarece prin intermediul acestuia se pot conecta în rețea diferite tipuri de dispozitive, fără nevoia unei interfețe speciale.

Dispozitivele electronice de automatizare (PLC-urile) comunică între ele la nivel de celulă. Astfel că necesită un mediu de transmisie a datelor de dimensiuni mari.

Protocolul PROFIBUS are la bază modelul ISO/OSI, standardizat la nivel internațional, folosit pentru comunicație industrială. Există 7 nivele care definesc servicii și reguli de execuție pentru comunicația dintre două aplicații. Aceste 7 nivele se împart în nivele dedicate rețelei (de la 1 la 4) și nivele dedicate utilizatorului (de la 5 la 7).

Fig.22. Implementarea modelului ISO/OSI la PROFIBUS

4.2. Programarea in STEP 7

STEP 7 este un program dezvoltat de firma Siemens special conceput pentru programarea PLC-urilor S7-300 și S7-400. PLC-ul este compus dintr-o sursă de alimentare, CPU și unul sau mai multe module intrare/ieșire. PLC-ul monitorizează și controlează mașina automatizată (în cazul nostru o instalație de înfoliat) cu un program S7. Modulele de intrare/ieșire sunt accesate în cadrul programului prin intermediul adreselor.

Fig. Prezentarea unui proiect de automatizare

Procedura de bază când utilizăm STEP 7

Înainte de a începe un proiect, este bine de știut că acestea pot fi create în mai multe moduri:

Fig. Modalitati de creare a unui program in STEP 7

4.2.1. Simatic Manager

Pornirea programului Simatic Manager și crearea unui proiect

Programul Simatic Manager este fereastra principală care devine activă atunci când STEP 7 este pornit. Setările implicite pornesc STEP 7 Wizard care ne ajută atunci când dorim să creăm un proiect. Structura proiectului este folosită pentru a stoca și a aranja toate datele și programele în ordine.

Fig. Structura ierarhica a programului

Se dă dublu click pe iconița Simatic Manager aflată pe desktop, după care se selectează File>Wizard”New Project”, dacă fereastra STEP 7 Wizard nu apare automat.

Pentru a trece mai departe, apăsăm butonul Next.

Vom selecta, de exemplu, CPU 314C-2DP. Setarea implicită pentru adresa MPI este 2. Pentru a confirma setările alese și a merge mai departe, apăsăm Next.

Fig. Exemplu selectare CPU

Observație: Fiecare CPU are anumite proprietăți, în funcție de configurația memoriei sau în funcție de zonele de adrese. De aceea trebuie să selectam CPU înainte de începerea programării.

Adresa MPI (Multipoint Interface) este necesară pentru ca CPU să poată comunica cu dispozitivul de programare sau PC.

Selectăm blocul OB1 (Organisation Block) dacă nu este selectat deja. Selectăm unul dintre limbajele de programare: Ladder Logic (LAD), Statement List (STL) și Function Block Diagram (FBD). Confirmăm setările prin apăsarea butonului Next.

Fig. Selectarea blocului OB1 si a limbajului de programare (LAD)

Observație: OB1 reprezintă nivelul superior de programare și organizează celelalte blocuri din S7. Se poate schimba limbajul de programare oricând se dorește.

Se înlocuiește numele implicit din zona “Project Name” cu numele pe care îl dorim. Apăsăm butonul Make pentru a genera proiectul.

Fig. Denumirea proiectului

Structura proiectului în Simatic Manager

Imediat ce fereastra STEP 7 Wizard se închide, apare Simatic Manager cu proiectul pe care l-am creat mai devreme. De aici se pot porni toate funcțiile și ferestrele din STEP 7.

Fig. Fereastra Simatic Manager

Navigarea în cadrul structurii proiectului

Proiectul pe care l-am creat mai devreme este prezentat în această fereastră împreună cu stația S7 și CPU-ul. Dacă apăsăm semnul “+/-“ putem să închidem sau să deschidem un director.

Fig. Deschiderea sau inchiderea directoarelor

Se face click pe directorul S7 Program (1). Acesta conține toate componentele de program necesare. Componenta “Symbols” este folosită pentru a asocia adreselor nume simbolice. Componenta ”Source Files” este folosită pentru a stoca fișierele sursă ale programelor.

Fig. Vizualizarea elementelor dintr-un director

Se face click pe directorul Blocks. Acesta conține blocul OB1 pe care l-am creat mai devreme și pe parcursul dezvoltării programului, alte blocuri.

Fig. Vizualizarea directorului „Blocks”

Se face click pe directorul Simatic 300 Station. Toate datele de proiect cu referire la partea hardware sunt stocate aici.

Fig. Vizualizarea directorului SIMATIC 300 Station

Configurarea Hardware

După ce am creat proiectul, primul pas pe care trebuie să-l facem este să stabilim configurația hardware a PLC-ului. Se dă click pe directorul Simatic 300 Station din partea stângă a ecranului și se dă dublu click pe iconița hardware care apare în partea dreapta. Se va deschide o fereastă denumită HW Config- Simatic 300 Station.

Fig. Configurația hardware finalizată

În figura de mai sus s-a realizat deja configurația hardware. În partea din dreapta a ferestrei sunt afișate directoare în care se găsesc toate componentele necesare configurării. CPU-ul selectat în momentul creării proiectului apare în partea stângă a ferestrei. Deoarece PLC-ul nostru are în componența sa module de intrări/ieșiri analogice și digitale, acestea vor trebui selectate din partea dreaptă a ferestrei.

Primul element care se adaugă în partea dreaptă pentru a realiza configurația din figura de mai sus, este o șină (rack) pe care vor fi atașate toate celelalte module. În slotul 2 al șinei este fixat CPU-ul împreună cu modulele intrare/ieșire.

Observație: Pentru partea practică a proiectului s-a folosit un CPU 315-2DP, acest tip de CPU nu are modulele de intrare și ieșire atașate implicit, ele pot fi adăugate în funcție de necesități. Modulele de intrare/ieșire, digitale sau analogice pot fi adăugate la șină începând cu slotul 4.

În cazul folosirii unei surse de alimentare externă, slotul 1 nu va fi folosit, așa cum este și în partea practică a acestei lucrări . Dar în acest exemplu, sursa de alimentare folosită este PS307 2A, aceasta se găsește în partea dreaptă a ferestrei de unde o luăm și o atașăm pe șină în slotul 1 prin metoda drag and drop.

Fig. Selectarea sursei de alimentare

Verificăm dacă codul înscris pe panoul frontal al sursei corespunde cu cel din partea stângă jos a ferestrei din coloana Order number. La fel se procedează și în cazul codului înscris pe CPU, de asemenea trebuie verificată și versiunea înscrisă în coloana Firmware. În cazul în care acestea nu corespund se va înlocui CPU-ul cu cel corect.

Următorul pas constă în configurarea modulelor analogice și digitale. Este necesar ca adresele modulului analogic să înceapă de la 256 iar cele ale modulului digital de la 0. Pentru a seta aceste adrese, se va da dublu click pe fiecare modul în parte și se va alege Tab-ul “Addresses”, apoi se va deselecta căsuța din dreptul System Default și se vor modifica adresele cum a fost sugerat mai sus.

Pentru acest exemplu, vom avea următoarele adrese pentru intrările și ieșirile analogice, respectiv digitale:

Intrările digitale vor începe de la 0 și se vor termina la 2:

De la I 0.0 până la I 0.7;

De la I 1.0 până la I 1.7;

De la I 2.0 până la I 2.7.

În cazul ieșirilor digitale se va începe de la 0 și se va termina cu 1:

De la Q 0.0 până la Q 0.7;

De la Q 1.0 până la Q 1.7.

Intrările analogice vor începe de la 256 și se vor termina la 265:

De la PIW 256 până la PIW 265.

De asemenea, ieșirile analogice vor începe de la 256 și se vor termina la 259:

De la PQW 256 până la PQW 259.

Fig. Modificarea adreselor modulului Analogic

Fig. Modificarea adreselor modulului Digital

Adresele absolute

Fiecare intrare și ieșire indiferent de tipul ei analogic sau digital are o adresă absolută predefinită de configurația hardware. Această adresă absolută poate fi înlocuită cu un nume simbolic ales de noi.

Fig. Adresele absolute

Atribuirea numelor simbolice

În tabelul de simboluri se poate face atribuirea unui nume simbolic și a unui tip de dată tuturor adreselor absolute pe care le vom folosi mai departe în program. Folosind numele simbolice se pot găsi și rezolva mai ușor și mai rapid erorile din program.

În fereastra proiectului se face dublu click pe S7 Program (1) și se deschide componenta Symbols ce apare în partea dreaptă.

Fig. Selectarea componentei Symbols

În cazul în care abia am creat proiectul, în tabelul de simboluri se află doar blocul OB1 care este predefinit.

Fig. Tabelul de simboluri

Se selectează numele simbolic Cycle Execution și se redenumește ”Main Program” pentru acest exemplu.

Numele simbolic atribuit blocului OB1 poate fi denumit oricum

În continuare, vom atribui un nume simbolic ieșirii Q 4.0 astfel: în dreptul coloanei Symbol, pe rândul al 2-lea se va scrie numele simbolic ”Green Light” și în dreptul coloanei Address, tot pe același rând se va scrie adresa Q 4.0. Tipul de dată este adăugat automat în funcție de adresa introdusă.

Fig. Adăugarea de nume simbolice și a comentariilor

Se pot adăuga comentarii pentru fiecare nume simbolic, iar după ce am adăugat comentariul, se apasă Enter pentru a trece la următorul rând.

În continuare este prezentat tabelul de simboluri folosit în programul realizat pentru proba practică pentru exemplificare:

Fig. Numele simbolice din programul realizat pentru proba practică

4.2.2. Crearea unui program în OB1

Deschiderea ferestrei de programare

Cu STEP 7 se poate crea un program S7 în unul din cele 3 limbaje standard: Ladder Logic (LAD), Statement List (STL), sau Function Block Diagram (FBD).

Fig. Cele 3 limbaje standard de programare

Pentru deschiderea blocului OB1 și scrierea programului se va face dublu-click pe componenta OB1 ce apare în partea dreaptă a ferestrei proiectului, atunci când se selectează directorul Blocks.

Fig. Deschiderea blocului OB1

Toate blocurile sunt programate în fereastra de programare LAD/STL/FBD.

Fig. Fereastra de programare LAD/STL/FBD

Programarea blocului OB1 în Ladder Logic

În continuare vor fi prezentate un circuit serie, un circuit paralel și funcția de setare/resetare în LAD.

Programarea unui circuit serie în LAD

În cazul în care este necesar se poate selecta limbajul de programare LAD din meniul View.

Fig. Selectarea limbajului LAD din meniul View

Selectăm prima linie pentru a putea adăuga primul element. Apăsăm pe butonul aflat în bara de instrumente și inserăm un contact normal deschis. În același mod se va insera cel de-al 2-lea contact normal deschis.

După care se va insera o bobină în partea din dreapta a liniei apăsând pe butonul .

În momentul de față adresele contactelor normal deschise și adresa bobinei lipsesc. Se va verifica dacă funcția “Symbolic Representation” este activă ca în figura de mai jos.

Fig.. Functia Symbolic Representation

Pentru a atribui unui contact normal deschis sau unei bobine un nume simbolic din tabelul de simboluri, se va da click pe semnul “??.?” după care se selectează numele simbolic.

După ce am atribuit un nume simbolic fiecărui contact și fiecărei bobine, circuitul este complet și poate fi salvat apăsând pe butonul .

Observație: În cazul în care numele simbolice pe care dorim să le atribuim apar scrise cu roșu, înseamnă că acestea fie nu există în tabelul cu simboluri, fie este o eroare de sintaxă.

Programarea unui circuit paralel în LAD

Selectăm Network 1 și inserăm un nou network prin apăsarea butonului .

Selectăm linia aferentă network-ului 2 și inserăm în același mod ca mai sus un contact normal deschis și o bobină. După care selectăm linia verticală din partea stângă și adăugăm o ramură paralelă cu linia principală prin apăsarea butonului .

În continuare se va adăuga un contact normal deschis pe ramura paralelă.

Pentru a închide ramura, se va apăsa butonul ca și în situația circuitului serie, adresele lipsesc și se vor adăuga ca mai sus.

După ce am adăugat adresele, circuitul este complet și poate fi salvat.

Programarea unei funcții de memorie în LAD

Selectăm Network 2 și inserăm un nou network prin metoda prezentată mai sus. Selectăm din nou linia curentă. Căutăm în librăria cu elemente de program în directorul Bit Logic până când găsim elementul SR și se dă dublu-click pe acest element pentru a-l insera.

Se inserează câte un conctact normal deschis pentru fiecare din intrările S și R.

Se introduc numele simbolice pentru fiecare element și se salvează programul.

Instrucțiuni de tip Bit Logic

Instrucțiunile de tip Bit Logic funcționează cu 2 biți, 1 și 0. Acești doi biți formează baza unui sistem numeric numit sistem binar. În cazul contactelor și bobinelor, bitul 1 înseamnă activ/alimentat iar bitul 0 înseamnă inactiv/nealimentat. Aceste instrucțiuni interpretează starea semnalelor, adică dacă starea lor este 0 sau 1 și combină acești biți conform regulilor de logică Booleană. Aceste combinații dau un rezultat ce poate fi 1 sau 0, acest rezultat este numit ”result of logic operation” (rezultatul unei operații logice notat cu RLO).

Există instrucțiuni de tip Bit Logic cu următoarele funcții:

–| |– contact normal deschis

Contactul este închis atunci când valoarea bitului stocat la adresa specificată este egală cu ”1”, iar atunci când valoarea bitului este ”0” contactul este deschis. Atunci când contactul este închis, RLO este ”1” și ”0” în cealaltă situație.

–| / |– contact normal închis

Contactul este închis atunci când valoarea bitului stocat la adresa specificată este egală cu ”0”, iar atunci când valoarea bitului este ”1” contactul este deschis. Atunci când contactul este închis, RLO este ”1” și ”0” în cealaltă situație.

–(SAVE) salvează RLO în memoria BR

XOR bit sau exclusiv

–( ) bobina de ieșire

Aceasta funcționează exact ca o bobină dintr-o diagramă logică cu relee. Dacă bobina primește la intrare un semnal ”1” logic, atunci bitul stocat la adresa specificată deasupra bobinei ia și el valoarea ”1”. Și invers în cazul în care semnalul de la intrare este ”0” logic.

–( # )– bobină de ieșire intermediară

–| NOT |– negație

Neagă bitul RLO.

Următoarele instrucțiuni reacționează la un RLO cu valoarea 1 logic:

–( S ) bobina de setare

Dacă primește la intrare un semnal ”1” logic, aceasta setează bitul de la adresa specificată la valoarea ”1” logic. Un semnal ”0” logic aplicat la intrarea bobinei, nu are niciun efect.

–( R ) bobina de resetare

Dacă primește la intrare un semnal ”1” logic, aceasta setează bitul de la adresa specificată la valoarea ”0” logic. Un semnal ”0” logic aplicat la intrarea bobinei, nu are niciun efect.

SR bistabil de tip Set-Reset

În situația în care acest bistabil primește ”1” logic la intrarea S și ”0” logic la intrarea R, el este setat și oferă la ieșire un semnal ”1” logic chiar dacă la intrarea S nu mai primește semnal. În cazul în care primește ”0” logic la intrarea S și ”1” logic la intrarea R, bistabilul este resetat și furnizează la ieșire un semnal ”0” logic până în momentul în care intrarea R trece în ”0” și intrarea S primește semnal ”1” logic. Dacă la ambele intrări avem ”1” logic, ordinea executării instrucțiunilor este de importanță majoră; adică se execută întâi instrucțiunea de Set și apoi cea de Reset, astfel că valoarea de la ieșire va fi ”0” logic.

RS bistabil de tip Reset-Set

Bistabilul este resetat dacă primește la intrarea R un semnal ”1” logic și la intrarea S un semnal ”0” logic. Altfel, dacă primește ”0” la intrarea R și ”1” la intrarea S, bistabilul este setat. Dacă la ambele intrări avem valoarea ”1” ordinea executării instrucțiunilor este de importanță majoră; adică se execută întâi instrucțiunea de Reset și apoi cea de Set, astfel că valoarea de la ieșire va fi ”1” logic.

Alte instrucțiuni reacționează la o trecere a semnului din 1 în 0 (front negativ) sau din 0 în 1 (front pozitiv) și au următoarele funcții:

–( N )– detectarea frontului negativ al RLO

–( P )– detectarea frontului pozitiv al RLO

NEG bistabil de detectare a frontului negativ

POS bistabil de detectare a frontului pozitiv

Instrucțiuni de tip Timer

Există următoarele instrucțiuni de tip Timer:

S_PULSE temporizator de impuls;

S_PEXT temporizator pentru menținerea impulsului;

S_ODT temporizator cu rol de întârziere;

S_OFFDT temporizat cu pornire întârziată.

Capitolul 5

Simularea Programului și Interfața HMI

Firma Siemens oferă soluții de simulare a programului creat în STEP 7 prin intermediul software-ului SIMATIC S7-PLCSIM. Acest program este util atunci când nu avem un PLC la îndemână sau nu avem posibilitatea conectării PLC-ului la PC și dorim să verificăm programul creat.

Interfața HMI oferită de firma Siemens se numește WinCC Flexible, acest program pune la dispoziția operatorului o interfață prin care acesta poate monitoriza procesul dar în aceeași măsura îl poate și influența prin intermediul comenzilor.

5.1. SIMATIC WinCC Flexible

Procesele din mediul industrial devin din ce în ce mai complexe, iar operatorul are nevoie de transparență pentru a putea identifica și corecta cât mai rapid erorile ce apar în timpul procesului. Această transparență este oferită prin intermediul interfeței HMI.

Un sistem HMI presupune:

Vizualizarea procesului- imaginea afișată pe dispozitivul HMI (Operating Panel-OP, Multi Panel-MP, Touch Panel- TP, PC) reprezintă procesul și este modificată în timp real în funcție de evenimentele din proces.

Controlul operatorului asupra procesului- operatorul are posibilitatea de a controla procesul prin intermediul interfeței grafice. Acesta poate controla direct ventile, pompe și alte elemente din proces sau poate seta valori de referință pentru controlul unui motor.

Afișarea alarmelor- pentru evitarea unor defecțiuni majore, operatorul este atenționat prin intermediul alarmelor despre evenimentele critice ce apar în evoluția procesului.

Stocarea variabilelor de proces și a alarmelor – cu ajutorul programului HMI putem crea baze de date în care să stocăm valori ale variabilelor de proces sau alarme; aceste baze de date poartă denumirea de Data logs. Această funcție permite înregistrarea unor evenimente din proces petrecute într-un anumit interval de timp, ele pot fi analizate ulterior pentru îmbunătățirea procesului.

Parametrii de funcționare- parametrii unui anumit proces sau a unor mașini pot fi introduși în așa numitele rețete (Recipes). Acești parametrii de funcționare pot fi descărcați de pe dispozitivul HMI direct în PLC pentru a schimba produsul curent cu un altul, sau chiar a capacității de producție.

Conexiunea între PC și PLC se poate face prin intermediul unui adaptor MPI/RS232. Interfața PLC-ului este una MPI, iar cea a PC-ului este RS232. Spre deosebire de familiile mai vechi de PLC-uri care dispuneau doar de o interfață PPI (Point to Point Interface), familia de PLC-uri S7-300 și S7-400 dispun de o interfață MPI (Multi-Point Interface). Anumite automate Siemens pot dispune de o interfață Profibus (DP) precum și de alte intefețe standardizate dar pentru a le folosi este necesar ca PLC-ul să aibă module specializate de comunicație.

Crearea unui proiect în WinCC Flexible

În continuare vor fi prezentate 8 etape prin intermediul cărora se va crea un nou proiect. Este de preferat să creăm un proiect în WinCC Flexible după ce am realizat programul în STEP7 și să îl integrăm în proiectul acestui program. Se poate crea un nou proiect WinCC Flexible direct din fereastra SIMATIC Manager.

Pasul 1: Crearea unui nou proiect prin intermediul opțiunii ”Project Wizard”

Fig. Crearea proiectului

Pasul 2

Se alege opțiunea ”Small Machine”- reprezintă tipul de proiect pentru o legătură directă PLC;

Se integrează proiectul STEP7 pentru care se dorește crearea unei interfețe grafice.

Fig.

Pasul 3:

Se alege tipul de dispozitiv HMI- pentru acest exemplu se va alege ”WinCC Flexible Runtime”. Tot aici se selectează și rezoluția ecranului;

Tipul de conexiune dintre dispozitivul HMI și PLC- MPI/DP;

Seria din care face parte automatul programabil- SIMATIC S7 300/400.

Fig.

Pasul 4

În cadrul acestei ferestre se poate crea un header, butoane de control pentru navigație, linie sau fereastră pentru alarme;

Se selectează elementele ce vor fi incluse în header;

Se selectează poziția și stilul bării de navigație cât și a alarmelor.

Fig.

Pașii 5 și 6:

Aici se configurează modul de navigare pentru ecrane:

Fig.

Se specifică dacă se dorește crearea unui ecran principal pentru toate ecranele sistem, sau dacă ecranele ar trebui afișate în poziția implicită;

Fig.

Pașii 7 și 8:

Se adaugă librăriile necesare;

Se pot selecta până la 6 fișiere ce pot fi introduse ca librării opționale

Fig.

Se pot adăuga comentarii;

Prin apăsarea butonului ”Finish” se generează proiectul cu toate setările specificate în etapele precedente.

Fig.

5.2. SIMATIC S7-PLCSIM

În S7-PLCSIM putem executa și testa un program creat în STEP7 prin intermediul unui PLC virtual. Simularea are loc pe PC. Nu este necesar să avem la dispoziție partea hardware a PLC-ului (CPU sau module de semnal), deoarece simularea este complet implementată în software-ul STEP7. Cu ajutorul S7-PLCSIM putem simula programe STEP7 create pentru S7-300,S7-400 sau controllere de tip WinAC.

Simularea unui program STEP7

Se va da dublu-click pe iconița SIMATIC Manager și se va deschide proiectul pe care dorim să-l simulăm. În fereastra proiectului se apasă butonul pentru a începe simularea. Imediat după apăsarea butonului se vor deschide 2 ferestre, o fereastră intitulată

„S7-PLCSIM – SimView1” în care se va face simularea și o fereastră intitulată „Open Project” care oferă următoarele opțiuni :

Open project from a file – acestă opțiune oferă posibilitatea deschiderii unui PLC virtual creat într-o simulare anterioară;

Select CPU Acces Node – selectarea acestei opțiuni ne va deschide o fereastră în care putem alege controllerul și o interfață de comunicare dintr-un proiect STEP7 salvat pe PC;

Display open project options on startup – putem alege dacă dorim sau nu afișarea ferestrei Open Project de fiecare dată când pornim o simulare prin bifarea, respectiv debifarea acestei căsuțe.

Fig. Fereastra Open Project

Pentru a merge mai departe apăsam butonul OK. În funcție de opțiunile selectate vor apărea diferite ferestre, în cazul acestui exemplu avem selectată opțiunea de alegere a CPU-ului și a interfeței de comunicare. Astfel că va apărea fereastra Select CPU Access Node, se dă click pe interfața de comunicare dorită și se apasă butonul OK.

Fig. Alegerea CPU-ului și a interfeței de comunicare

După ce am parcurs pașii de mai sus vom putea începe simularea propriu-zisă în fereastra „S7-PLCSIM – SimView1”. În această fereastră se pot adăuga variabile de intrare și de ieșire, biți de memorie, numărătoare, temporizatoare etc. Introducerea acestora se face din meniul Insert așa cum este prezentat în figura de mai jos.

Fig. Introducerea elementelor pentru simulare

Acestea vor apărea sub forma unor ferestre mai mici. Implicit vom avea deschise ferestre pentru CPU, un octet de variabile de intrare și un octet de variabile de ieșire (adresele acestora vor începe de la 0 și trebuie modificate astfel încât să corespundă cu adresele folosite în proiect).

În acest moment avem PLC-ul virtual și elementele de simulare necesare. Pentru a putea simula proiectul acesta va trebui mai întâi descărcat în memoria PLC-ului. Descărcarea proiectului se va face prin selectarea blocurilor aferente proiectului nostru, după care vom apăsa butonul .

Fig. Descărcarea blocurilor

Descărcarea blocurilor aferente proiectului se poate face numai când PLC-ul virtual se află în modul STOP. După descărcarea proiectului se poate trece PLC-ul în modul RUN și se poate începe simularea. Pentru o mai bună înțelegere a simulării putem deschide blocul OB1 (în acest caz) pentru a vizualiza funcționarea programului în timp real. Acest fapt este posibil atunci când se dă dublu-click pe blocul OB1 și în fereastra care apare (fereastra de programare) se apasă butonul pentru activarea opțiunii de monitorizare.