J. Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Juniorprofessur Agentenbasierte Automatisierung. Laborunterlagen zum Themengebiet Steuerungstechnik. zusammengestellt von

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1 J. Prof. Dr.-Ing. Georg Frey Juniorprofessur Agentenbasierte Automatisierung Laborunterlagen zum Themengebiet Steuerungstechnik zusammengestellt von Georg Frey und Stéphane Klein Modul 3 Simatic STEP7 Inhalt: 1 ALLGEMEINES ZU SPS-POGAMMIEUNG MIT STEP BESCHEIBUNG DE POGAMMIESPACHEN AWL, FUP, KOP S7-Graph... 6

2 Modul 3 Seite 2 von 6 1 Allgemeines zur SPS-Programmierung mit STEP7 Die SPS (Speicher-programmierbare Steuerung) durchläuft den Baustein OB1 (Organisationsbaustein 1) zyklisch mit einer Zykluszeit von wenigen bis zu ein paar hundert Millisekunden, je nach Programmlänge. Dieser Baustein kann bei kleinen Anwendungen das gesamte Programm enthalten. Im Normalfall besteht er aber nur aus Bausteinaufrufen von Programmbausteinen oder Funktionen, die zusammen das gesamte Programm ergeben. Diese Bausteine werden dann nacheinander in der eihenfolge durchlaufen, in der sie im OB1 aufgeführt sind. Erst nach jedem Durchlauf des OB1 werden die Ausgangsklemmen mit den Zuständen belegt, die sich durch die Abarbeitung des Programms für die Ausgänge ergeben haben, und die Signalzustände der Eingänge ausgelesen. Für die Eingänge bedeutet das, dass ihr Zustand für die Dauer eines Programmzyklusses gespeichert wird und ein Signalwechsel bis zum Ablauf der Zykluszeit nicht erkannt werden kann. Für die Ausgänge bedeutet es, dass, wenn ein Ausgang an unterschiedlichen Stellen im Programm verändert wird, wirkt sich nur die letzte Änderung aus, da erst danach die Signale an den Ausgangsklemmen anliegen. In diesem Versuch wird als Steuerung eine Siemens S7-300 verwendet. Sie besitzt außer den analogen Ein- und Ausgängen, die in diesem Versuch nicht verwendet werden, jeweils 32 binäre Ein- und Ausgänge. Die Programmierumgebung heißt STEP7 und ist modular aus verschiedenen Programmiersprachen zusammenstellbar. Es gibt zwei grundsätzlich verschiedene Typen von SPS-Sprachen: Bei den einen überprüft der Controller bei jedem Programmzyklus alle Bedingungen. Es können hierbei sehr leicht Bedingungen erfüllt sein, die in der gegebenen Situation ungewollte Aktionen auslösen. Zu diesen Sprachen gehören die klassischen SPS-Sprachen: Anweisungsliste (AWL), Funktionsplan (FUP) und Kontaktplan (KOP). Zu dem anderen Typ gehört die Sprache S7-Graph der Firma Siemens. Bei S7-Graph wird das Programm als Schrittkette geschrieben. Es gibt hierbei immer einen aktiven Schritt, in dem gewisse Aktionen ausgeführt werden. Überprüft wird hier nur die Weiterschaltbedingung zum nächsten Schritt. D.h., es werden große Teile des Programms übersprungen. Alle Sprachen unterstützen symbolische Namen für Eingänge, Ausgänge und Variablen. Die Symboltabelle steht im Versuch schon zur Verfügung. Die Programme können also gleich mit symbolischen Namen eingegeben werden. Die lokalen Variablen müssen noch in das Deklarationsfenster der selbst geschriebenen Bausteine eingetragen werden. Bei Step7 kann man 5 verschiedene Typen von lokalen Variablen definieren. Sie unterscheiden sich darin, in welche ichtung sie von einem Programm an das andere übergeben werden, oder ob sie nur in dem Programm benutzt werden, in dem sie definiert sind. IN : Variable, die vom aufrufenden Programm an das Unterprogramm übergeben wird OUT : Variable, die an das aufrufende Programm zurückgegeben wird IN-OUT : Variable, die in beide ichtungen übergeben wird STAT : statische interne Variable; sie behält bei jedem Programmzyklus ihren vorherigen Wert TEMP : temporäre interne Variable; sie nimmt am Anfang jedes Programmzyklusses einen voreingestellten Wert an Weitere Informationen zur Programmierung der SPS kann man in der unten angegebenen Literatur finden.

3 Modul 3 Seite 3 von 6 2 Beschreibung der Programmiersprachen 2.1 AWL, FUP, KOP Die Programmiersprachen AWL (Anweisungsliste), FUP (Funktionsplan) und KOP (Kontaktplan) sind nur unterschiedliche Darstellungsformen eines identischen Programmaufbaus. Sie sind bei richtiger Programmierung voll ineinander umwandelbar. Das Programm besteht hauptsächlich aus Formeln der booleschen Algebra. Zusätzlich sind z.b. noch Zähler, Zeitglieder oder algebraische Operationen einsetzbar. Die Vorgehensweise bei der Programmierung ist, dass man pro Ausgang oder Merker (boolesche Variable) genau ein Netzwerk vorsehen muss, wenn es sich um eine Zuweisung handelt, und genau zwei, wenn der Ausgang oder Merker speichernd gesetzt und zurückgesetzt werden soll. Ein Netzwerk entspricht der Bedingung für eine Aktion in der Form einer UND/ODE- Anweisung. Eine Zuweisung bedeutet, dass der Ausgang nur so lange mit 1 belegt ist, wie die Bedingung für den Ausgang erfüllt ist. Wenn der Ausgang speichernd gesetzt wird, behält er das 1 -Signal so lange, bis die ücksetzbedingung erfüllt ist. Für die Setz- und die ücksetzbedingung ist jeweils ein Netzwerk nötig. Wie schon erwähnt gilt: Wenn man mehrere Zuweisungen eines Ausgangs an unterschiedlichen Stellen programmiert, die sich widersprechen, wird das Signal an den Ausgang weitergeleitet, das sich bei der letzten Zuweisung ergeben hat. Da dies zu Fehlern führen kann, sollte man oben genannte egel einhalten. Das bedeutet aber auch, dass wenn bei einem Ausgang die Setz- und die ücksetzbedingung gleichzeitig erfüllt sind, die Aktion gültig ist, die im Programmablauf hinter der anderen steht. Deshalb schreibt man normalerweise das Setz-Netzwerk vor das ücksetz-netzwerk und erhält damit eine ücksetzpriorität. Für die Verwendung von Zeiten sind folgende Zeitglieder üblich: 1. Einschaltverzögerung: Die Zeit startet bei einer positiven Flanke am Eingang des Zeitgliedes. Nach Ablauf der Zeit wird der Ausgang 1. Bei einer negativen Flanke am Eingang wird der Ausgang wieder zu 0. Kommt die negative Flanke am Eingang vor Ablauf der Zeit, bleibt der Ausgang auf Ausschaltverzögerung: Der Ausgang geht bei einer positiven Flanke am Eingang sofort auf 1. Die Zeit startet bei der negativen Flanke am Eingang des Zeitgliedes. Nach Ablauf der Zeit wird der Ausgang wieder zu Impuls: Der Ausgang geht bei einer positiven Flanke am Eingang sofort auf 1, und die Zeit startet. Nach Ablauf der Zeit wird der Ausgang wieder zu 0. Kommt die negative Flanke am Eingang vor Ablauf der Zeit, geht der Ausgang sofort auf 0 zurück. Bei den Zählern gibt es auch drei verschiedene Typen: den Vorwärts-, den ückwärtszähler, sowie einen Zähler, der einen Eingang zum Vorwärts- und einen zum ückwärtszählen hat. Gezählt wird immer bei einer positiven Flanke am Zähleingang. Alle Zähler besitzen zwei Ausgänge, an denen der aktuelle Zählerwert ansteht, an dem einen als Dual- und an dem anderen als Dezimalzahl. Außerdem besitzen sie einen binären Ausgang, der nur dann 0 ist, wenn der Zählerwert 0 ist, und sonst 1. Außer dem Zähleingängen gibt es noch einen ücksetzeingang und zwei Eingänge, mit denen der Zähler auf einen bestimmten Wert voreingestellt werden kann. Es ist wegen der schnelleren Eingabe des Programms ratsam, dieses in AWL einzugeben. Die Ansicht sollte jedoch im Programmeditor von Zeit zu Zeit auch in die anderen beiden Sprachen gewechselt werden, um auch diese zu verstehen. Dabei ist aus Gründen der

4 Modul 3 Seite 4 von 6 Umwandelbarkeit darauf zu achten, dass in jedem Netzwerk auch wirklich nur eine Zuweisung, ein Setz- oder ein ücksetzbefehl steht. Allein die Programmierung von Zeiten und Zählern ist in den anderen beiden Sprachen einfacher und sollte dort durchgeführt werden. Das hat auch den Vorteil, dass das Programm auf jeden Fall in allen drei Sprachen darstellbar bleibt. Um das bei der Eingabe in AWL zu erreichen, muss bei Zeiten und Zählern anstelle der nicht benutzten Ein- und Ausgänge die Anweisung NOP (no operation) stehen. Erklärungen zur AWL: Die booleschen Formeln werden in der AWL mit Hilfe der Kürzel U (Und), O (Oder), UN (Und Nicht) und ON (Oder Nicht) eingegeben. Die Zuweisung ist mit = gekennzeichnet, für das Setzen wird der Buchstabe S verwendet und für das ücksetzen der Buchstabe. Die Verwendung der Kürzel und die Klammersetzung werden in den folgenden Beispielen erklärt. An Stelle der absoluten Adressen werden im zu schreibenden Programm allerdings die symbolischen Adressen erscheinen. Verbale Beschreibung Solange E ist, soll A sein. U E 0.0 Solange E ist, soll A sein. UN E 0.0 Wenn E ist, setze A 0.0 auf 1. U E 0.0 S A 0.0 Wenn E ist, setze A 0.0 zurück. U E 0.1 A 0.0 Solange E ist und entweder E U E 0.0 oder E 0.2 0, soll A sein. U( U E 0.1 ON E 0.2 ) Solange E ist oder sowohl E als auch E 0.2 1, soll A sein. UN E 0.0 O( UN E 0.1 U E 0.2 ) Tabelle 1: Beispiele zur AWL-Programmierung AWL Es sollte immer auf eine saubere Klammersetzung geachtet werden, da das Programm sonst ebenfalls nicht in den anderen Sprachen darstellbar wäre. Jede Zeile am Anfang eines Netzwerkes oder einer Klammer muss mit U, UN, O oder ON begonnen werden. Ob man mit U oder O beginnt, hat keinen Einfluss auf die Funktion. Wie bei Eingängen können auch die Signalzustände von Ausgängen, Merkern, Zählern (z.b. Z1) und Zeiten (z.b. T1) abgefragt werden. Erklärungen zum FUP: In dieser Sprache werden die booleschen Formeln wie in grafischen Darstellungen in der Digitaltechnik eingegeben. Das Programm besteht also aus echtecken, den Gattern, die untereinander verbunden sind. Sie enthalten die Symbole & für das Und-Gatter und >=1

5 Modul 3 Seite 5 von 6 für das Oder-Gatter. Negierungen an Ein- und Ausgängen sind als Kreise dargestellt. Die echtecke für die Zuweisungen, Setz- und ücksetzaktionen enthalten die Buchstaben der AWL. Erklärungen zum KOP: Diese Sprache ist aus der elaistechnik heraus entstanden. Sie symbolisiert Strompfade. Und- Verknüpfungen entsprechen dabei eihenschaltungen und Oder-Verknüpfungen entsprechen Parallelschaltungen. Die Operanden in der Bedingung haben folgende Form: Nicht negierter Operand: Negierter Operand: Die Zuweisung ist als geöffnete und geschlossene runde Klammer auf der rechten Seite dargestellt. Bei Setz- und ücksetzaktionen enthalten diese Klammern die Buchstaben S bzw.. Erklärungen zu den Zählern und Zeiten: Die Darstellung von Zählern und Zeiten sind im FUP und im KOP identisch. Vorwärtszähler ückwärtszähler Z_VOW ZV Q Z_UECK Z Q S DUAL S DUAL ZW ZW ZV und Z sind die Zähleingänge. Am Eingang ZW wird die Zahl (z.b. C#5 für die Zahl 5) eingetragen, die bei einer positiven Flanke am Eingang S in den Zähler geladen werden soll. Solange 1 -Signal am ücksetzeingang anliegt, wird der Zähler auf 0 gehalten. Q ist der binäre Ausgang. An DUAL und liegt der aktuelle Zählerwert als Dual- bzw. als Dezimalzahl an. Einschaltverzögerung S_EVEZ S DUAL Ausschaltverzögerung S_AVEZ S DUAL Impuls S_IMPULS S DUAL TW TW TW Q Q Q Am Eingang S muss das Signal anliegen, das die Zeit starten soll. Am Eingang TW wird die Dauer der Zeit eingetragen, und zwar z.b. für den Wert 500ms in der Form S5T#500MS. Die Ausgänge und der ücksetzeingang haben die entsprechenden Funktionen wie beim Zähler.

6 Modul 3 Seite 6 von S7-Graph Die Schrittkette im S7-Graph wird folgendermaßen abgearbeitet: Das Programm startet in einem sogenannten Initialisierungsschritt, der im Editor besonders gekennzeichnet ist (doppelter ahmen). Nach jedem Schritt folgt immer eine Transition mit einer zugehörigen Bedingung. Ist die Bedingung erfüllt, wird der nachfolgende Schritt aktiv, indem die Aktionen dieses Schrittes ausgeführt werden. Es kann somit immer nur ein Schritt aktiv sein. Bedingungen sind als UND/ODE-Anweisungen im KOP (Kontaktplan) zu programmieren. Verzweigungen sind nach einem Schritt möglich, Alternativzweige müssen also immer mit einer Transition beginnen. Nach einer Transition kann man einen Sprung einfügen, der immer vor einen Schritt führen muss. Folgende Aktionen sind für das zu schreibende Programm ausreichend: N der Ausgang oder Merker ist nur bei aktivem Schritt 1 S der Ausgang oder Merker wird auf 1 gesetzt und bleibt auch über den Schritt hinaus 1 ein gesetzter Ausgang oder Merker wird wieder zurückgesetzt D der Ausgang oder Merker wird mit einer Zeitverzögerung zu 1 und geht beim Verlassen des Schrittes auf 0 zurück (Eingabe der Zeit siehe Beispiel) CALL Bausteinaufruf, der zyklisch bei aktivem Schritt ausgeführt wird S0 CALL Bausteinaufruf, der nur einmal beim Verlassen des Schrittes ausgeführt wird Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für ein S7-Graph-Programm. Es hat nichts mit dem zu schreibenden Programm zu tun und dient nur dem Verständnis des Aufbaus einer Schrittkette. Die beiden Pfeile im Programm bezeichnen einen Sprung. An den Pfeilen steht immer die Zielbzw. die Herkunftsadresse. Abbildung 1: Beispielprogramm für S7-Graph

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