Programmieren einer Ampelsteuerung mit IEC 1131

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1 Programmieren einer Ampelsteuerung mit IEC 1131 Die Ampeln an einer Straßenkreuzung sollen durch eine simulierte SPS gesteuert werden. Die Programmierung der SPS erfolgt mit der Programmiersoftware ACCON ProSys/CoDeSys wahlweise in Anweisungsliste, Funktionsbausteinsprache oder in Kontaktplandarstellung. INHALTSVERZEICHNIS 1 Beschreibung des Simulationsprogramms Theoretischer Hintergrund Vorausgesetzte Kenntnisse Vorbereitungsfragen Literatur zur Vorbereitung Aufgaben...6 1

2 1 Beschreibung des Simulationsprogramms Zur Programmierung einer Ampelkreuzung wird das Programmier- und Simulationssystem ACCON ProSys oder CoDeSys verwendet. Ausführliche Beschreibungen finden Sie in der Dokumentation, die am Arbeitsplatz ausliegt oder online unter Handbuch zum SPS-Programmiersystem ACCON ProSys 1131 beziehungsweise ACCON ProSys 1131 Schnelleinstieg Und Handbuch zum SPS-Programmiersystem CoDeSys beziehungsweise Erste Schritte mit CoDeSys Da die Dokumentationen dort sehr umfassend gehalten sind, können wir uns an dieser Stelle eine weitere Beschreibung des Simulationsprogramms sparen. Sie dürfen das Demo-Programm Version 2.07 (ACCON) oder CoDeSys (3S) auch zu Hause installieren. Es reicht für unsere Bedürfnisse vollkommen aus. Arbeiten Sie sich mit Hilfe der ACCON-ProSys/CoDeSys Dokumentation in das Programm ein. Von unserer Labor-Homepage können sie sich folgende PDF-Files herunterladen: - Ausführliche Dokumentation - Handbuch ACCON ProSys - Kurzversion- Schnelleinstieg - ACCON-ProSys. Oder - Ausführliche Dokumentation - Handbuch CoDeSys, - Kurzversion - Erste Schritte mit CoDeSys. Weiterhin erhältlich ist eine Demo-Version von ACCON-Prosys 1131 V2.07 (ca. 5.2 MB) oder CoDeSys (ca. 55 MB), falls Sie schon im Vorfeld zu Hause üben wollen; ansonsten ist ACCON ProSys/CoDeSys in Pool C installiert. 2 Theoretischer Hintergrund Allgemeines zur Programmierung mit IEC Die Syntax in IEC 1131 unterscheidet sich zum Teil erheblich von der der SIMATIC-SPS S (Programmiersprache EP 7), insbesondere in der Anweisungsliste. Einige Beispiele für die Syntax der Anweisungsliste sind im Folgenden zusammengestellt. Angabe direkter Adressen: IEC EP 7 %IX0.0 E0.0 %MW15 MW15 Boolesche Verknüpfungen: IEC EP 7 AND U OR O 2

3 Anstelle der Lade-Operation wird das Verknüpfungszeichen benutzt, das auch bei späteren Operationen Verwendung findet. Der Zuweisungsoperator (in der IEC 1131 mit bezeichnet) wird durch das Gleichheitszeichen ausgedrückt: Beispiel: IEC EP 7 %IX0.0 U E0.0 AND %IX0.1 U E0.1 %QX2.1 = A2.1 Anstelle des UND-Symbols könnte in der ersten Zeile theoretisch auch ein ODER -Zeichen stehen, es hätte dieselbe Wirkung. Dass bei binären Verknüpfungen andere Vorrangregeln gelten als in der IEC 1131, wurde bereits in der Vorlesung erwähnt: Bei IEC werden die Befehle sequentiell abgearbeitet, bei EP 7 geht UND vor ODER. Zeitfunktionen Als Timer (Zeitfunktionen) stehen die IEC-konformen Zeitfunktionen TP Impulsbildung TON TOF Einschaltverzögerung und Ausschaltverzögerung zur Verfügung. Bei der Steuerung S 7 werden sie allerdings wie folgt bezeichnet: SFB 3 TP Impulsbildung SFB 4 TON SFB 5 TOF Einschaltverzögerung und Ausschaltverzögerung Bei der S7 existieren noch ältere Funktionen, die aus der EP-5-Programmierung übernommen worden sind. Sie arbeiten mit Zeitdauern, die mit dem Zusatz S5... gekennzeichnet sind; diese Zeitdauern benötigen weniger Speicherplatz. Die Benutzung der Siemens-eigenen Zeitfunktionen ist einfacher und deshalb zu bevorzugen. Diese Zeitfunktionen werden mit Hilfe eines Taktmerkers (Vorschlag: Merkerwort 20) erzeugt. Die SIEMENS-Zeiten werden als S5TIME oder kurz S5T bezeichnet. In der IEC sind folgende drei Timer genormt. (Achtung: In speziellen SPS, beispielsweise bei Simatic-S7, können wesentlich mehr Timer deklariert sein!) (a)impulsgeber TP Timer1 BOOL IN TP Q BOOL TIME PT ET TIME In der Abbildung ist die Darstellung in Funktionsbausteinsprache (FBS) zu sehen. Diese Darstellung findet sich zum Beispiel in der Norm, um die zum Funktionsbaustein gehörenden Variablentypen zu beschreiben. Bei der Programmierung werden die Variablentypen an den Beinchen durch die konkrete Variable ersetzt. Der Impulsgeber TP liefert am Ausgang Q (Boolesche Variable) einen Impuls, dessen Länge durch die vom Anwender festgelegte Zeit PT bestimmt ist. Als Eingangsparameter PT muss ein gültiger Zeitwert (z.b. in Millisekunden: PT:=T#2000ms) angegeben werden. Der Timer startet, wenn die Boolesche Variable IN 3

4 gesetzt ist, genauer: mit der steigenden Flanke von IN. Wie man aus dem untenstehenden Zeitdiagramm sieht, führt ein erneutes Einschalten von IN während der Laufzeit des Zählers zu keinem neuen Start, man sagt, der Zähler ist nicht re-triggerbar. Die aktuelle Zählzeit ( elapsed time ) kann am Ausgang ET abgelesen werden. Alle Zeitgeber sind nur sinnvoll anwendbar, wenn die deklarierten Zeiten wesentlich länger sind als die Zykluszeit des jeweiligen SPS-Programms, wenn die Abfrage nur an einer Stelle im Programm erfolgt. (b) Einschaltverzögerung TON (oder T---0 ) Der Funktionsbaustein TON (On-delay Timer) wird durch ein zu TP analoges Symbol dargestellt, hat also die gleichen Ein- und Ausgangsvariablen. Der Ausgang Q wird erst nach Ablauf der Zeit ET auf Eins gesetzt und bleibt so lange erhalten, wie der Eingangsimpuls IN danach noch gesetzt bleibt. Der Timer startet also, wenn die Flanke der Booleschen Variablen IN steigt. (c) Ausschaltverzögerung TOF (oder 0---T ) Der Funktionsbaustein TOF (Off-delay Timer) wird ebenfalls durch ein zu TP analoges Symbol dargestellt. Diese Funktion hat das zu TON inverse Verhalten, das heißt, der Ausgang Q bleibt nach Ausschalten des Eingangs IN noch für die Zeitdauer ET auf Eins gesetzt. Der Timer startet also, wenn die Flanke der Booleschen Variablen IN abfällt. 4

5 (d) Beispiel für Verwendung eines Timers Der Timer TON kann zum Beispiel folgendermaßen benutzt werden (es sind mehrere Varianten möglich!): VAR Timer1: TON (* Timer *) Schritt3 BOOL Ausgang AT %QX1.3; BOOL... END_VAR... CAL Timer1 (IN:=Schritt3, PT:=T#2000ms) Timer1.Q (* Timer1 abgelaufen?) R Ausgang (* Variable Ausgang Rücksetzen *) Eine andere Möglichkeit der Timer-Programmierung ist die folgende (Variablendeklaration wie oben):... T#2000ms Timer1.PT (* Zählzeit laden *) Schritt3 Timer1.IN (* Startbit laden *) CAL Timer1 (* Timer1 starten *) Timer1.Q (* Timer1 abgelaufen?) R Ausgang (* Variable Ausgang Rücksetzen *) 3 Vorausgesetzte Kenntnisse Um den Abschluss des Versuchs in der vorgegebenen Zeit zu erreichen, ist eine intensive Vorbereitung erforderlich. Benötigte Kenntnisse im einzelnen: Vorlesung Steuer- und Regelungstechnik, Kapitel 2 und 3 Aufbau der Steuerungen vom Typ S7-300 Darstellung Boolescher Verknüpfungen mittels FBS, AWL oder KOP Timer-Programmierung Programmierung von Schrittketten Arbeiten mit ACCON ProSys 4 Fragen zur Vorbereitung auf die Klausur V.1 Welche Funktionseinheiten gehören zu den im Labor befindlichen SPS? V.2 Wie werden die wichtigsten Booleschen Verknüpfungen programmiert? V.3 Welche IEC-Timer kennen Sie? V.4 Wie wird ein Timer programmiert? V.5 Beschreiben Sie die Funktionsweise von SET/RESET. V.6 Welche SPS-Programmierdialekte kennen Sie? 5

6 5 Literatur zur Vorbereitung [1] URL: [2] W. Jakoby: Automatisierungstechnik - Algorithmen und Programme, Springer, Heidelberg [3] E. Grötsch: SPS 1 - Speicherprogrammierbare Steuerungen, Band 1: Einführung und Übersicht. Oldenbourg München 1996 [5] E. Grötsch: SPS 2 - Speicherprogrammierbare Steuerungen, Band 2: Programmierbeispiel und Produkte. Oldenbourg München 1997 Abschnitt 2.1 stellt die typischen Eigenschaften von EP 7, insbesondere gegenüber der SPS- Norm IEC 1131, heraus. [6] P. Neumann, E. Grötsch, C. Lubkoll, R. Simon: SPS-Standard: IEC Oldenbourg, München und Wien 1995 [7] K.-H. John, M. Tiegelkamp: SPS-Programmierung mit IEC Springer, Berlin Heidelberg 1995 [8] W. Braun: Speicherprogrammierbare Steuerungen in der Praxis Programmiersprachen von EP7, Aufgaben und Lösungen. Vieweg, Braunschweig Aufgaben Denken Sie beim Programmieren stets an eine gute Dokumentation. Das hilft Ihnen auch, wenn wir einmal die ein oder andere Frage an Sie richten. Mit dem Simulator können Sie die Semantik und die tatsächliche Funktion Ihres Programms testen. Aufgabe Einfache Ampelsteuerung mit zwei Betriebsarten Betriebsart Automatikbetrieb Folgende Zeitabläufe sollen bei beiden Ampeln eingehalten werden: - Rotphase 17 s - Rot/Gelb 2 s - Grün 9 s - Gelb 2 s Es ist zu empfehlen, zunächst den Ablauf einer Ampel in einem Organisationsbaustein OB2 vollständig zu programmieren. Wenn das funktioniert, können Sie einen weiteren Organisationsbaustein OB3 so aufbauen, dass er dasselbe Programm enthält, jedoch zeitversetzt arbeitet (Grünphase statt Rotphase und umgekehrt). Beide Organisationsbausteine werden von einem Hauptprogramm OB1 aus aufgerufen. Der OB1 hat außer dem Aufruf der beiden anderen OBs sonst keine weitere Funktion. Der Start des Ampelbetriebs wird durch einen Start/Stop-Button ausgelöst. Mit diesem Button soll der Betrieb auch wieder beendet werden, allerdings in einer sauberen Weise, so dass erst alle Ampeln einen normalen Gelb-Zyklus durchlaufen. Wenn Sie eine Zusatzaufgabe übernehmen wollen, können Sie für den Nachtbetrieb ein Gelb-Blinken der Ampeln programmieren. Das Timing-Diagramm der Ampeln ist in der folgenden Abbildung gezeigt. Die von uns vorgeschlagene Lösung sieht Folgendes vor: In einem Funktionsbaustein wird jeweils die Ampelgruppe für eine Straße geschaltet, während die andere durchweg auf Rot bleibt. Davon entfällt jeweils 1 s auf den Rest der Rotphase der jeweils geschalteten Ampel, anschließend folgen 2 s Rot/Gelb, 9 s Grün und 2 s Gelb. Von diesem Zeitpunkt wird der Funktionsbaustein für die Ampelgruppe der anderen Straße aktiv. 6

7 Ampel A 14s 14s Ampel B 14s 14s Ampel A rot 17s 17s Ampel A gelb 2s 2s 2s 2s Ampel A grün 9s 9s Ampel B rot 17s 17s Ampel B gelb 2s 2s 2s 2s Ampel B grün 9s 9s Rest der Rotphase, 1s Rot/Gelb-Phase, 2s Grünphase, 9s Timerzyklus für Ampel A, 14s Gelbphase, 2s Um die Kommunikation innerhalb des Entwickler-Teams (bei uns im Labor: zwischen Studenten und Laboringenieuren bzw. Professor) zu vereinfachen, wurden bereits Belegungslisten für die zu verwendenden Ein- und Ausgänge festgelegt. Diese Belegungslisten finden ihren Ausdruck in den folgenden Deklarationen für globale Variablen: VAR_GLOBAL ampel_a_on: BOOL := FALSE; (* Runflag Ampel A *) ampel_b_on: BOOL := FALSE; (* Runflag Ampel B *) rot_a AT %QX1.0 : BOOL := TRUE; (* Rot Ampel A *) gelb_a AT %QX1.1 : BOOL := FALSE; (* Gelb Ampel A *) gruen_a AT %QX1.2 : BOOL := FALSE; (* Grün Ampel A *) rot_b AT %QX2.0 : BOOL := TRUE; (* Rot Ampel B *) gelb_b AT %QX2.1 : BOOL := FALSE; (* Gelb Ampel B *) gruen_b AT %QX2.2 : BOOL := FALSE (* Grün Ampel B *) END_VAR Variablen, die nur in den einzelnen Funktionsbausteinen existieren (lokale Variablen) können Sie selbst festlegen. Benutzen Sie bitte zum Arbeiten das bereits vorhandene Visualisierungsobjekt. 7

8 Anhand des Funktionsbausteins OB1 werden wir beim ersten (gemeinsamen) Termin im Labor die Arbeiten mit dem Programmiersystem ACCON ProSys üben. Um die einzelnen Schritte mitverfolgen zu können, soll hier schon einmal der Quelltext in Funktionsbausteinsprache vorgestellt werden. PROGRAM OB1 VAR Startmerker: RS; (* Zustand des ON/OFF Schalters *) Start_Schalter AT %IX0.0 : BOOL := FALSE; (* Schalter für Programmstart *) ttimera: TIME; (* Zeit des TimersA *) TimerA: TP; (* Zyklus der Ampel A *) ttimerb: TIME; (* Zeit des TimersB *) TimerB: TP; (* Zyklus der Ampel B *) END_VAR In diesem Testprogramm wird allerdings nur geprüft, ob die einzelnen Unterprogramme richtig aufgerufen werden. Dazu finden zwei Prüfausgänge %Q1.6 und %Q1.7 Verwendung. Die AWL-Version (Anweisungsliste) die wir jedoch zunächst nicht verwenden wollen sieht dagegen wie folgt aus: 8

9 N CAL ANDN CAL NOT ANDN AND CAL Start_Schalter Startmerker.RESET1 Startmerker(SET := Start_Schalter) Startmerker.Q1 ampel_b_on TimerA.IN TimerA(PT := T#14000ms) TimerA.ET ttimera TimerA.Q ampel_a_on ampel_a_on Startmerker.Q1 TimerB.IN TimerB(PT := T#14000ms) TimerB.ET ttimerb TimerB.Q ampel_b_on ampel_a_on %QX1.6 ampel_b_on %QX1.7 9