Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Temat ćwiczenia: Realizacja wizualizacji i sterownia fragmentem procesu technologicznego na panelu operatorskim Numer ćwiczenia: 4 Laboratorium z przedmiotu: Przemysłowe systemy cyfrowe (PLC) Kod: E N S 1 A 5 0 0 0 3 3 Opracował: dr inż. Andrzej Ruszewski Białystok 2013
1. Wprowadzenie [5] Środowisko projektowe Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal) firmy Siemens integruje narzędzia do projektowania sterowników PLC SIMATIC oraz paneli operatorskich HMI w ramach jednego projektu. Ujednolicony wygląd edytorów programowych oraz dostęp do wspólnej bazy danych projektowych ułatwiają i przyśpieszają tworzenie projektów. W środowisku TIA Portal dostępne jest oprogramowanie Step 7 V11 w dwóch wersjach: Step 7 V11 Basic dla sterowników S7-1200 oraz Step 7 V11 Professional dla sterowników SIMATIC S7-1200/300/400, jak również dla sterowników budowanych na bazie komputerów PC. Oprogramowanie WinCC V11 instalowane w TIA Portal pozwala na projektowanie paneli operatorskich, zaczynając od paneli BASIC poprzez rodzinę paneli Mobile Panel, Multi Panel, Comfort Panel, kończąc zaś na systemach obsługi operatorskich SCADA na komputerach PC. WinCC V11 jest dostępne w kilku pakietach w celu dopasowania do konkretnej rodziny paneli operatorskich lub też systemu SCADA. WinCC Basic służy do konfiguracji paneli Basic Panel, natomiast WinCC Comfort oraz WinCC Advanced do konfiguracji wszystkich paneli Simatic. Wersja WinCC Advanced wspiera także systemy wizualizacji na bazie komputerów PC, natomiast WinCC Professional oferuje rozbudowaną funkcjonalność SCADA. Każda z wersji WinCC V11 dostępna w TIA Portal ma wbudowany symulator. Oprogramowanie WinCC umożliwia: - obserwowanie procesu informacje przedstawione są w postaci graficznej na ekranie i aktualizowane przy zmianie stanu procesu, - sterowanie procesem zmiana wartości zmiennych procesowych z poziomu interfejsu użytkownika, - nadzorowanie procesu wykrywanie przekroczenia wartości zmiennych, - archiwizowanie zmiennych procesowych, - prezentowanie zmiennych procesowych w postaci graficznej. Dostępne w laboratorium wersje oprogramowania pokazano na rys. 1. Rys. 1. Wersje oprogramowania 4-2
2. Okna programu WinCC Po dodaniu panelu operatorskiego TP700 Comfort do projektu (opisane w instrukcji do ćwiczenia 3) i wybraniu w drzewie projektu HMI_1 [TP700 Comfort] > Screens > Root Screen, na ekranie widoczny jest obszar roboczy (rys. 2), który zawiera następujące okna: 1) Project tree - struktura projektu, 2) Root screen - widok panelu operatorskiego, 3) Toolbox - okno narzędzi, 4) Properties - właściwości obiektów. 1 2 3 4 Rys. 2. Przestrzeń robocza programu WinCC W oknie Project tree widoczny jest folder panelu HMI_1 [TP700 Comfort]. Po rozwinięciu tego folderu dostępne są następujące elementy: - Online & diagnostics testowanie online programu, diagnostyka sprzętu, - Runtime settings logowanie użytkowników, ustawienia ekranu startowego, - Screens dodawanie ekranów, tworzenie wizualizacji, - Screen management tworzenie szablonów ekranów, - HMI tags zarządzanie zmiennymi HMI, 4-3
- Connections komunikacja między urządzeniami HMI i PLC, - HMI alarms zarządzanie alarmami, - Recipes zarządzanie recepturami, - Scheduled tasks konfiguracja harmonogramu zadań uruchamianych w tle, - User administration zarządzanie kontami użytkowników panelu, ustawianie haseł. Wizualizację panelu tworzymy w oknie Root screen umieszczając tam wybrane obiekty z okna Toolbox. Możemy to zrobić poprzez kliknięcie na dany obiekt, a następnie kliknięcie w dowolnym miejscu w oknie Root screen lub metodą przeciągnij i puść. W oknie Toolbox dostępne są obiekty graficzne pogrupowane w następujące kategorie: - Basic objects elementy podstawowe (np. figury geometryczne, tekst, dodanie grafiki), - Elements obiekty do kontroli zmiennych procesowych (np. przycisk, suwak, przełącznik, bargraf, pole we/wy), - Controls obiekty typu: - Trend view wyświetlanie trendów zmiennych procesowych, - Alarm view wyświetlanie zdefiniowanych alarmów, - Recipe view wyświetlanie i ustawianie receptur, - User view konfiguracja użytkowników i uprawnień, - Graphics możliwość wykorzystania gotowych symboli przedstawiających typowe elementy pomiarowe i wykonawcze systemu automatyki oraz procesu produkcyjnego (np. zawory, silniki, zbiorniki). Po wybraniu i umieszczeniu obiektu graficznego w oknie Root screen, w oknie Properties pojawią się właściwości zaznaczonego elementu. Właściwości te dzielą się zazwyczaj na trzy kategorie: - Properties ustawienia standardowe, np. kolor, czcionka, rozmiar, - Animations tworzenie animacji, np. pojawienie się elementu, przesunięcie w pionie, poziomie, - Events definiowanie zdarzeń, np. ustawianie bitu 0 lub 1, aktywowanie ekranu. Wizualizację panelu tworzymy poprzez wybranie odpowiednich obiektów graficznych i ustawienie właściwości tych elementów, tak aby reprezentowały one zmienne procesowe. Wykorzystanie podstawowych obiektów graficznych zostanie pokazane na przykładzie układu sterowania poziomem w zbiorniku [5]. 3. Wizualizacja układu sterowania poziomem w zbiorniku 3.1. Konfiguracja zmiennych sterownika W celu wymiany danych pomiędzy sterownikiem i panelem operatorskim należy zdefiniować zmienne (tags). W Project tree rozwinąć gałąź PLC tags, następnie wybrać Default tag table i utworzyć zmienne PLC (rys. 3). Należy pamiętać o odpowiednim do typu danych ich zaadresowaniu (zmienne typu Bool muszą mieć adresy bitowe, np. I0.0, zmienne typu Int i Word muszą mieć adresy o wielkości słowa, np. MW0). 4-4
Rys. 3. Lista zmiennych (PLC tags) 3.2. Program na sterownik PLC W bloku organizacyjnym Main [OB1] należy umieścić instrukcję logiczną Greater or equal oraz Less or equal, a także instrukcję SR z adresem Zawór. W instrukcjach komparacyjnych trzeba porównać wartość zmiennej Poziom w zbiorniku ze zmienną Dopuszczalny poziom oraz zmienną Poziom w zbiorniku ze stałą liczbą 5. Jeżeli poziom w zbiorniku będzie większy niż dopuszczalny, sterownik załączy wyjście Zawór. Wyjście to zostanie wyłączone, gdy poziom w zbiorniku opadnie poniżej wartości 5. Rys. 4. Program na sterownik PLC (blok OB1) 4-5
W celu symulacji napełniania i opróżniania zbiornika należy utworzyć cyklicznie wywoływany blok organizacyjny OB30, ustawić jego wywoływanie co 100 ms (patrz rys. 5). Następnie umieścić w nim zależności pokazane na rys. 6. Instrukcja INC powoduje cykliczne zwiększanie zmiennej Poziom w zbiorniku, natomiast instrukcja DEC powoduje jej zmniejszanie. Rys. 5. Dodanie cyklicznego bloku organizacyjnego OB30 Rys. 6. Program (blok organizacyjny OB30) 4-6
3.3. Wizualizacja na panelu Na ekranie Root screen należy umieścić przycisk tak jak na rysunku 7, zmienić jego nazwę na Pompa, a następnie kliknąć prawym przyciskiem myszy i wybrać właściwości. Rys. 7. Dodanie przycisku W oknie Properties wybrać zakładkę Events, w opcji Click, w polu Add function należy wpisać Invert Bit, a następnie wybrać wyjście sterownika ( Pompa ). W ten sposób stworzony przycisk na panelu będzie uruchamiał i wyłączał pompę. Rys. 8. Przypisanie zmiennej do przycisku Następnie należy umieścić bargraf obrazujący poziom w zbiorniku. Bargraf ten należy powiązać ze zmienną sterownika Poziom w zbiorniku (rys. 9). 4-7
Rys. 9. Dodanie bargrafu i przypisanie zmiennej Następnie należy wstawić koło obok przycisku pompa. Po jego umieszczeniu na ekranie, kliknąć na nim prawym przyciskiem myszy i wybrać jego właściwości. W zakładce Animations w polu Display wybrać Add new animation, a następnie ikonę Apperance i w niej zmienną Pompa. W tabeli pod miejscem wyboru tagu trzeba kliknąć <Add new> i wybrać Background color jako czerwony, następnie ponownie <Add new> i wybrać kolor zielony. Rys. 10. Dodanie koła i przypisanie zmiennej 4-8
Teraz należy dodać drugi ekran klikając w drzewie projektu na Add new screen. W pasku narzędzi należy wybrać Split editor space horizontally aby widoczne były dwa okna: Screen_1 oraz Default tag table. Z tabeli zmiennych sterownika (Default tag table) należy przeciągnąć na ekran zmienną Dopuszczalny poziom. Po tym dodać pole tekstowe i opisać je jako Dopuszczalny poziom w zbiorniku. Rys. 11. Dodanie pola we/wy Po tych czynnościach należy otworzyć tabelę zmiennych HMI i tabelę zmiennych PLC i przeciągnąć zmienną Ekrany ze sterownika do panelu (rys. 12). W tabeli zmiennych HMI kliknąć prawym przyciskiem na nowo utworzonym tagu i wybrać jego właściwości. W polu Settings trzeba zmienić tryb z Cyclic in operation na Cyclic continuous. Następnie w zakładce Events w polu Value change dodać nowe zdarzenie ActivateScreenByNumber, jako numer ekranu wskazać zmienną Ekrany. 4-9
Rys. 12. Dodanie zmiennej PLC do listy zmiennych HMI W sterowniku w bloku OB1 należy wstawić dwie funkcje Move (rys. 13), które w zależności od położenia przełącznika na wejściu I0.1 ( Zmiana ekranu ) będą przypisywały do zmiennej Ekrany" wartość 1 lub 2. 4-10
Rys. 13. Program na sterownik PLC (Network 2 i 3 w OB1) Po wszystkich powyższych czynnościach należy wgrać program do sterownika klikając prawym przyciskiem myszy na jego folderze w drzewie projektu i wybierając z menu kontekstowego Downlood to device -> All. Następnie wgrać program do panelu klikając prawym przyciskiem myszy na folderze panelu i wybierając z menu kontekstowego Download to device -> Softwore (all). Można też wgrać program zaznaczając urządzenie i klikając ikonę Download to device. Następnie należy ustawić położenia przełącznika na wejściu I0.1 ( Zmiana ekranu ) w stan wysoki i wpisać na panelu operatorskim dopuszczalny poziom w zbiorniku, np. 60. Poprzez zmianę stanu przełącznika I0.1 przejść do okna głównego, w którym można włączać i wyłączać pompę. Poziom w zbiorniku zmienia się w zależności od tego, czy pompa jest włączona, czy nie, ponadto tryb pracy pompy sygnalizowany jest przez zmianę koloru wypełnienia koła. 4-11
4. Cel ćwiczenia. Przygotowanie i uruchomienie aplikacji wizualizacyjnej wybranego fragmentu modelu procesu przemysłowego z wykorzystaniem sterownika PLC S7-1200 i panelu operatorskiego SIMATIC TP700 Comfort. Przeprowadzenie prób z utworzoną wizualizacją: nawiązanie komunikacji pomiędzy sterownikiem S7-1200 a panelem TP700 Comfort, przeprowadzenie prób sterowania zdalnego wybranym modelem (z panelu). 5. Metodyka badań. Stanowisko badawcze Ćwiczenie przeprowadzane jest w dwuosobowych grupach przy stanowisku PLC -HMI. Podstawowe wyposażenie stanowiska laboratoryjnego PLC - HMI: sterownik - SIMATIC S7 1214, panel operatorski - SIMATIC TP 700 Comfort, programator - komputer PC, ethernetowy kabel połączeniowy x2, oprogramowanie TIA Portal v11, zasilacz SITOP SMART 24V DC/10A, Rys. 14. Stanowisko laboratoryjne 4-12
Przebieg ćwiczenia: 1. Uruchomić stanowisko PLC - HMI: podłączyć 2 kable ethernetowe: komputer - lewe wejście PPOFINET panelu operatorskiego oraz prawe wyjście z panelu do wejścia ethernetowego PLC, podłączyć zasilanie 24 VDC do sterownika i panelu (należy użyć dedykowanej wtyczki zasilającej) poprzez zasilacz przemysłowy SITOP 24V/104A. 2. Połączyć wejścia i wyjścia obiektu z wyjściami i wejściami sterownika, odpowiednio. 3. Zaprogramować sterownik S7-1200, napisać program oraz uruchomić proces i sprawdzić poprawność pracy badanego obiektu. Uwaga można wykorzystać program z ćwiczenia 2 po odpowiednim rozszerzeniu o flagi generowane z poziomu panelu operatorskiego 4. Dodać do projektu panel HMI - TP700 Comfort (postępując według instrukcji do ćwiczenia 3). 5. Stworzyć aplikację wizualizacyjną (minimum 2 ekrany synoptyczne), które zobrazują pracę normalną systemu, stany awaryjne, umożliwią zadawanie wybranych parametrów procesu. Program powinien być udokumentowany poprzez nadanie : - nazwy projektu, - nazw symbolicznych dla identyfikacji wejść i wyjść (PLC tags i HMI tags), - nazw i komentarzy - do poszczególnych obwodów programu i ekranów. 6. Przeprowadzić próby pracy sterownika i panelu operatorskiego załadować program do PLC i panelu operatorskiego, uruchomić bieżący podgląd programu ikona Go online ramka programu podświetlona na pomarańczowo, przeprowadzić wielokrotne próby sterowania obiektem w różnych sytuacjach: bezpośrednio z przycisków obiektowych oraz za pomocą przycisków ekranowych na panelu operatorskim. Prezentacja i analiza wyników badań. Wynikiem pracy grupy laboratoryjnej jest działająca aplikacja na sterownik S7-1214 i panel TP700 Comfort przedstawiona prowadzącemu w czasie zajęć. Wnioski i uwagi, jakie nasunęły się podczas wykonywania prób na układzie, należy zamieścić w sprawozdaniu. Do sprawozdania należy dołączyć wszystkie pliki projektu (*.ap11). 6. Wymagania BHP Warunkiem przystąpienia do ćwiczenia jest zapoznanie się z instrukcją BHP stosowaną w Laboratorium i ogólnymi zasadami pracy przy stanowisku komputerowym. Instrukcje te powinny być podane studentom podczas pierwszych zajęć laboratoryjnych i są dostępne do wglądu w Laboratorium. W trakcie wykonywania ćwiczenia należy zachować szczególną ostrożność przy podłączeniu urządzeń do zasilania 230 VAC. Wszelkich połączeń pomiędzy elementami automatyki (w tym połączeń sieci Profinet) oraz zmian w konfiguracji stanowiska badawczego należy wykonywać przy odłączonym zasilaniu (np. odłączonym wyjściu 24 VDC zasilacza SITOP). 4-13
7. Sprawozdanie studenckie Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać: stronę tytułową zgodnie z obowiązującym wzorem, cel i zakres ćwiczenia, opis konfiguracji stanowiska badawczego, opis przebiegu ćwiczenia z wyszczególnieniem wykonywanych czynności, listing opracowanego programu (wersja elektroniczna), wnioski i uwagi. Na ocenę sprawozdania będą miały wpływ następujące elementy: ogólna estetyka - 10%, zgodność zawartości z instrukcją - 20%, program (algorytm i listing) - 40%, wnioski i uwagi - 30%. Sprawozdanie powinno być wykonane i oddane na zakończenie ćwiczenia, najpóźniej na zajęciach następnych. Sprawozdania oddane później będą oceniane niżej. 8. Literatura: 1. Kamiński K.: Podstawy sterowania z PLC, GRYF 2009. 2. Kręglewska U., Ławryńczuk M., Marusak P.: Control laboratory exercises, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2007. 3. Kwaśniewski J.: Sterowniki PLC w praktyce inżynierskiej, Wydawnictwo BTC, Legionowo 2008. 4. Norma IEC 61131 Sterowniki programowalne. 5. Dokumentacja techniczna firmy Siemens: www.automatyka.siemens.pl: - Siemens S7 1200 Easy book, v 04/2011, - SIMATIC WinCC Advanced V11.0 SP2, v 12/2011, - S7-1200 Pierwsze kroki, v 08/2010, - S7-1200 oraz STEP7 Basic V10.5 Ćwiczenia, 2009, - Urządzenia HMI, Panele Comfort, v 01/2011, - Ćwiczenia z S7-1200 KTP 600 PN. 4-14