SPS FRANZIS PC & ELEKTRONIK. Heinrich Lepers. 3. neu bearbeitete Auflage Programmierung nach IEC Mit Beispielen für CoDeSys und STEP 7

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1 FRANZIS PC & ELEKTRONIK Heinrich Lepers SPS 3. neu bearbeitete Auflage Programmierung nach IEC Mit Beispielen für CoDeSys und STEP 7 Auf 4 DVDs/CDs: Installationssoftware für CoDeSys, STEP 7 und WINCC flexible Alle Beispiele aus dem Buch für CoDeSys und STEP 7 Alle Lösungen zu den Übungsprojekten für CoDeSys und STEP 7

2 8 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Aufbau und Arbeitsweise einer SPS Hardware Software Der SPS-Standard IEC Vorgeschichte Bestandteile der IEC-Norm Die Organisation PLCopen Technical Committees (TC) Promotional Committees (PC) Struktur eines SPS-Projektes IEC Modelle Softwaremodell Kommunikationsmodell Programmiermodell Beispiel für eine Konfiguration Ausführung der Beispielkonfiguration CoDeSys Projekte STEP 7 Projekte Datentypen und Variablen Darstellung von Daten Zeichensatz Bezeichner Schlüsselwörter Kommentare Numerische Literale Zeichenfolge Literale...52

3 Inhaltsverzeichnis Zeitliterale Datentypen Elementare Datentypen Allgemeine Datentypen Abgeleitete Datentypen Initialisierung Variablen Darstellung Initialisierung Deklaration Programmorganisationseinheiten Funktionen Definition von Funktionen Darstellung von Funktionen Steuerung der Ausführung von Funktionen Deklaration von abgeleiteten Funktionen Überladene Funktionen Funktionsbausteine Definition von Funktionsbausteinen Darstellung von Funktionsbausteinen Steuerung der Ausführung von Funktionsbausteinen Deklaration von abgeleiteten Funktionsbausteinen Programme Programmiersprachen für Verknüpfungssteuerungen Deklaration der Programmorganisationseinheiten Grafische Sprachen Gemeinsame Elemente Kontaktplan (KOP / LD) Funktionsbausteinsprache (FBS / FBD) Textsprachen Gemeinsame Elemente Anweisungsliste (AWL / IL) Strukturierter Text (ST)...101

4 10 Inhaltsverzeichnis 8 Realisierung von Verknüpfungssteuerungen Verwendete Programme Programmiersystem CoDeSys SPS-Steuerung mit CoDeSys SPS-Programm in CFC Visualisierung mit CoDeSys SPS-Programm in FUP, KOP, AWL und ST SPS-Steuerung mit STEP Programmierung in FBS mit CFC Visualisierung mit WinCC flexible Vergleich der Programmiersprachen in STEP Binäre Verknüpfungssteuerungen Standard-Funktionen Binäre Grundfunktionen Bitschiebefunktionen Standard-Funktionsbausteine Speicherbausteine Flankenerkennung Zeitglieder Beispiele und Lösungen nach IEC Förderband Parkhaus Lösungen mit CoDeSys Förderband Parkhaus Lösungen mit STEP Förderband Parkhaus Übungsprojekt Dreifachreaktion Aufgabenstellung Lösung nach IEC Lösung mit CoDeSys Lösung mit STEP Verarbeitung digitaler Informationen Standard-Funktionen Funktionen zur Datentypumwandlung Arithmetische Funktionen...187

5 Inhaltsverzeichnis Numerische Funktionen Vergleichsfunktionen Auswahlfunktionen Funktionen für Zeichenketten Funktionen für Datum und Zeit Beispiele und Lösungen nach IEC Nichtlineare Kennlinie Fehlermeldung Lösungen mit CoDeSys Nichtlineare Kennlinie Fehlermeldung Lösungen mit STEP Nichtlineare Kennlinie Fehlermeldung Übungsprojekt Proportionalregler Aufgabenstellung Lösung nach IEC Lösung mit CoDeSys Lösung mit STEP Verarbeitung analoger Informationen Funktionsbausteine in der IEC Filter 1. Ordnung (LAG1) Totzeit (DELAY) Mittelwert (AVERAGE) Integration (INTEGRAL) Differenzierung (DERIVATIVE) Hysterese (HYSTERESIS) Grenzwertüberwachung (LIMITS_ALARM) Analogsignalüberwachung (ANALOG _ MONITOR) PID-Regler (PID) Allgemeine Differenzengleichung (DIFFEQ) Rampenfunktion (RAMP) Stoßfreier Übergang (TRANSFER) Funktionen und Funktionsbausteine in CoDeSys Bit auslesen (EXTRACT) Bit einfügen (PUTBIT) Packen (PACK) Auspacken (UNPACK)...248

6 12 Inhaltsverzeichnis Statistische Werte (STATISTICS) Varianz (VARIANCE) PD-Regler (PD) Blinker (BLINK) Funktionsgenerator (GEN) Funktionsbausteine in STEP Kontinuierlicher PID-Regler (CONT_C) Schrittregler (CONT_S) Impulsgenerator (PULSEGEN) Beispiele und Lösungen nach IEC Signalgenerator Integrator mit Begrenzungen PID-Regler Lösungen mit CoDeSys Signalgenerator PID-Regler Lösungen mit STEP Signalgenerator PID-Regler Übungsprojekt Dynamisches Modell Aufgabenstellung Lösung nach IEC Lösung mit CoDeSys Lösung mit STEP Programmierung von Ablaufsteuerungen Struktur einer Ablaufsteuerung Schritte und Transitionen Schritte Transitionen ABLAUFREGELN Aktionen Darstellung einer Aktion Ansteuerung einer Aktion Logik einer Aktion Beispiele und Lösungen nach IEC Reaktor Abfüllstation Lösungen mit CoDeSys...307

7 Inhaltsverzeichnis Reaktor Abfüllstation Lösungen mit STEP Reaktor Abfüllstation Übungsprojekt Bearbeitungsband Aufgabenstellung Lösung nach IEC Lösung mit CoDeSys Lösung mit STEP Lösungen zu den Aufgaben Kapitel Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Kapitel Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Kapitel Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Kapitel Lösung zu Aufgabe 8.1 (CoDeSys) Lösung zu Aufgabe 8.2 (STEP 7) Kapitel Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe

8 14 Inhaltsverzeichnis Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung des Übungsprojektes Dreifachreaktion Lösung mit CoDeSys Lösung mit STEP Kapitel Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung des Übungsprojektes P-Regler Kapitel Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung des Übungsprojektes Dynamisches Modell Kapitel Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung zu Aufgabe Lösung des Übungsprojektes Bearbeitungsband Vergleich der Programmiersysteme Abkürzungen Stichwortverzeichnis...427

9 19 2 Aufbau und Arbeitsweise einer SPS 2.1 Hardware Eine typische Automatisierungsstruktur besteht aus der Anbindung an den Prozess, bei der mit Sensoren Prozesssignale erfasst und mit Aktoren die Stell- und Steuergrößen an den Prozess weitergegeben werden. Diese Ein- und Ausgänge werden parallel an spezielle Baugruppen eines Automatisierungsgerätes oder einer SPS angeschlossen. Da diese Automatisierungsgeräte nicht für eine komfortable Beobachtung und Bedienung des Prozesses ausgelegt sind, werden sie an ein Anzeige- und Bediengerät z. B. in Form eines PCs angeschlossen. Die Hardware eines Automatierungsgerätes oder einer SPS besteht aus den typischen Komponenten, die auch für einen Computer verwendet werden. Dazu gehören neben der Stromversorgung die Zentraleinheit mit der CPU, der EPROM-Speicher mit dem Betriebssystem und der fest vorgegebenen Software (Firmware) und der RAM-Speicher, der das Anwenderprogramm und die aktuellen Prozesswerte aufnimmt. Das Anwenderprogramm wird teilweise aber auch in EEPROM-Speichern abgelegt, damit es bei einem Spannungsausfall nicht gelöscht wird.

10 20 2 Aufbau und Arbeitsweise einer SPS Anzeige- u. Bedien- Gerät Automatisierungsgerät SPS Ausgänge Eingänge Stell- / Steuergrößen Messwerte Aktoren Sensoren PRODUKTIONSPROZESS Bild 2.1: Automatisierungsstruktur mit SPS Die Prozessanschlüsse von den Sensoren und zu den Aktoren sind bei der konventionellen Parallelverdrahtung unmittelbar an Ein- oder Ausgabebaugruppen angeschlossen. Das können boolesche Spannungs- oder Stromsignale sein oder das standardisierte analoge Signal als Strom zwischen 4 und 20 ma. Boolesche Ausgänge können auch als Relaiskontakte o. ä. ausgegeben werden. Je nach verwendeten Prozesssignalen können spezielle Einbausteckkarten konfiguriert werden. Mit fortschreitender Digitalisierung des Prozessumfeldes wurden zunehmend auch sogenannte HART-Geräte (Highway Adressable Remote Transducer) angeschlossen, die neben dem Stromsignal von 4 bis 20 ma zusätzlich eine digitale Information liefern bzw. lesen können. In neuen Anlagen werden heute oft Feldgeräte eingesetzt, die einen Mikroprozessor enthalten und über einen Feldbus ihre Daten mit dem Automatisierungsgerät austauschen. Als Feldbus werden z. B. PROFIBUS-DP (PROcess FIeld BUS Decentralized Periphery), CAN, Interbus, Modbus und andere eingesetzt.

11 2.1 Hardware 21 Einheit E P R O M Baugruppen R A M Peripher- Stromversorgung Eingabe- Baugruppen Ausgabe- Funktions- Baugruppen Zentral- Geräteanschluss HART Kommunikation Feldbus Kommunikation Systembus Bild 2.2: Aufbau einer SPS Da der Prozessor einer SPS mit einer internen Zykluszeit arbeitet, die für manche Vorgänge im Prozess zu groß ist, müssen z. B. für schnelle dynamische Vorgänge schnelle Regler oder Zähler mit einem eigenen Prozessor eingesetzt werden. Sie nehmen die Prozessinformation auf und verarbeiten diese in der Funktionsbaugruppe, ohne damit den zentralen Prozessor zu belasten. Das Ergebnis der Berechnungen geht dann ggf. auch von dieser Funktionsgruppe wieder zurück zum Prozess. Für den Anschluss von Periphergeräten wie z. B. Druckern, Handbediengeräten, externen Speichern o. ä. sind spezielle Interfaces vorgesehen. Die Bedienung und Beobachtung sowie die Programmierung einer SPS erfolgt selten unmittelbar an der SPS. Dazu verwendet man heute oft einen Laptop oder Arbeitsplätze in der Leitwarte. Für den Anschluss von Anzeige- und Bedienkomponenten wird eine SPS mit einem Buskoppler ausgestattet, der z. B. die Kommunikation über Ethernet erlaubt. In diesem Buch werden die Beispiele auch mit STEP 7 bearbeitet, dem Programmiersystem von Siemens. Dazu kann unter anderem der Simulator PLCSIM programmiert werden, der die speicherprogrammierbaren Steuerungen der Familie

12 22 2 Aufbau und Arbeitsweise einer SPS S7-300 und S7-400 emuliert. Das Bild 2.3 zeigt als Beispiel den Aufbau der Kompakt CPU 313 C. ( Siemens AG 2008, Alle Rechte vorbehalten) Bild 2.3: Kompakt CPU 313 C der Firma Siemens PLCSIM simuliert die CPUs der Familie S7-300 unterschiedlichen Leistungsumfangs, angefangen bei der CPU312 (mit 16 KB Arbeitsspeicher, 10 Digital-Ein und 6 Digital-Aus, bis 8 Baugruppen) bis zur CPU318-2DP (mit 256 KB Arbeitsspeicher, DP-Anschluss (PROFIBUS-DP-Master oder DP-Slave), bis 32 Baugruppen). Für größere Anwendungen und für das Prozessleitsystem PCS 7 stehen die Geräte der S7-400-Familie zur Verfügung, in denen auch mehr als eine CPU eingesetzt werden können. Die CPUs der 400er-Familie, die von PLCSIM emuliert werden, reichen von der CPU412-1 (mit 48 KB Arbeitsspeicher für den Programmcode und 48 KB für Daten, 2 KB für Digitale Ein- und Ausgänge, Taktsynchronität, Multicomputingfähigkeit etc.) bis zur CPU417-4 (mit 2 MB Arbeitsspeicher, 16 KB für Digitale Ein- und Ausgänge, Multicomputing, Äquidistanz etc.). Ein Beispiel für eine SPS aus der S7-400-Familie zeigt das Bild 2.4.

13 2.1 Hardware 23 ( Siemens AG 2008, Alle Rechte vorbehalten) Bild 2.4: SIMATIC S7-400 der Firma Siemens In den Steckplätzen, die mit Beschriftungsfeldern ausgestattet sind, befinden sich Anschlussbaugruppen für z. B. binäre oder analoge Ein- und Ausgänge. Der Trend in der Automatisierungstechnik geht weg von den herstellerspezifischen Lösungen für Soft- und Hardware hin zu allgemeinen Standards, die beispielsweise durch Microsoft und Intel gesetzt werden. So wird inzwischen als Betriebssystem oft Windows eingesetzt. Diese Entwicklung führt immer mehr zur sogenannten Soft-SPS, bei der die Programmierung, Bedienung und Beobachtung, aber auch die Verarbeitung der Signale in einem PC realisiert werden. Einige Hersteller bieten dafür sogenannte Industrie-PCs (IPC) an, die bezüglich der Belastung durch die Umgebung besonders robust sind. Solche IPCs werden in Kompaktbauweise oder auch als Hutschienen- bzw. Klemmensysteme angeboten. In den Fällen, wo man für die Programmierung und Visualisierung sowie für weitere Aufgaben wie z. B. Rezeptsteuerung einen PC einsetzen möchte, bietet die Industrie Steuerungen in Slot-Bauweise an, die als Steckkarten in den PC eingebaut werden. Ein Beispiel zeigt das Bild 2.5.

14 427 Stichwortverzeichnis A Abfüllstation 302, 315, 326 abgeleitete Datentypen 57 abgeleitete Funktionen 74 abgeleitete Funktionsbausteine 80 ABLAUFREGELN 288 Ablaufreihenfolge 135 Ablaufsprache 87 Ablaufsteuerung 283 ADD 72 Aktionen 284, 293, 298 allgemeine Datentypen 56, 77 AND 72, 149 Anfangsschritt 284 Anfangswerte 60, 65 Anweisungen 102 Anweisungsliste 15, 94 ANY_NUM 77 Arbeitsblatt 134 Argumentenliste 78, 151 arithmetische Funktionen 187 Aufruf eines FB 78 Aufzählung 57 Aufzählungstyp 63 Ausdrücke 72, 101, 172 Ausführung 42 Ausführungssteuerung 91, 93 Ausschaltverzögerung 158 Auswahl 29, 190 Auswertung 88 AWL 141, 144 B BCD 186 Bestimmungszeichen 293 Bezeichner 49 binäre Grundfunktionen 149 Bitmuster 151 Bitschiebefunktion 151 Blöcke 87 Bogenmaß 189 C CASE-Anweisung 103 CFC 107, 130, 147 CFC-Editor 133 CoDeSys 45, 107 CTU 79 D Datentyp 63, 185 Datentypumwandlung 77 Datum 193 Deklaration 85 Deklarationsteil 86 Differenzengleichung 241 Differenzierung 235 DIN DIN EN direkte Ableitung 57 direkte Variable 63 Doppel-Byte-Zeichen 52 E eckige Klammern 64, 66 Eingänge 72 Eingangsoperatoren 99 eingefroren 80 Einschaltverzögerung 157 Einzel-Byte-Zeichen 52 Einzelelement-Variable 63 elementare Datentypen 55 EN 74, 80 Enable 73, 80 Enable Out 73, 80 ENO 74, 80 Ergebnisregister 95 EXIT 104 F FB-Eingangsoperatoren 99 FBS 87 Fehlermeldung 204, 214 Feld 57, 58, 64 Flankenerkennung 153 Förderband 159 formale Argumentenliste 98 formale Übergabe 73 formaler Aufruf 97

15 428 Stichwortverzeichnis FOR-Schleife 104 Freigabe 73 Funktionen 66, 71, 90, 97 Funktionsbausteine 66, 68, 78, 90, 97 Funktionsbausteinsprache 87, 92 Funktionsergebnis 71 Funktionsgenerator 249 Funktionsplan 15 FUP 141 fußgesteuerte Schleife 104 Fuzzy-Control 30 G ganze Zahlen 55 gepuffert 81 gepufferte Variable 65 globale Variable 37 GRAFCET 27 GRAPH 130 Grenzwertüberwachung 237 H Hardware 19, 28 Hysterese 236 I IEC SC64A 27 IEC-konform 141 IEC-Sprachen 141 IF-Anweisung 103 Implementatoren 30 Impulsgenerator 253 Initialisierung 60 Instanzen 78, 133 instanziert 78 Instanzierung 68 INTEGER-Division 187 Integration 234 Integrator 257 Interpreter 25 K Kaltstart 65 Kettenauswahl 289 Kettensprung 290 Kommentare 50 Kommunikation 21, 30 Kommunikationsfunktionsbaustein 38 Kommunikationsmodell 36 Konfiguration 35, 40 Konnektor 87 Kontakte 89 Kontaktplan 15, 87, 88 KOP 87, 88, 141, 142 kopfgesteuerte Schleife 104 KOP-Netzwerk 90 L Laden und Speichern 98 LAG1 229 LIMIT 72 Linien 87 Literale 51 M mehrdimensionale Felder 64 Mittelwert 233 Modifizierer 94 MODULO 188 MOVE 188 Multielement-Variable 64 N Negation 150 Netzwerk 87, 92 nicht formale Argumentenliste 98 nicht formaler Aufruf 97 nicht formale Übergabe 73 nicht lineare Kennlinie 195 NOT 149 numerische Funktionen 188 numerische Literale 51 O OB 47 Öffner 89 Operanden 95, 101 Operatoren 95, 101 OR 149 Organisationsbausteine 47, 136 P Parkhaus 162 physikalische Adresse 66 physikalische Speicherorte 83 PID-Regler 240, 250, 258, 264, 273 Plananschluss 134 PLCopen 31 Programme 66, 83 Programmiermodell 39 Programmorganisationseinheit 66, 71 Proportionalregler 226 Prozessleitsystem 229 Puls-Zeitglied 156

16 Stichwortverzeichnis 429 R R_TRIG 78 Rampe 243 Reaktor 299, 307, 319 REPEAT 104 Ressource 36 RETAIN 65 RS 78 Rückkopplung 88 Rückkopplungsvariable 93, 94 Rücksetzdominanz 91, 152 runde Klammern 57, 66 S S5 141 S S Schleife 290 Schließer 89 Schlüsselwörter 50 Schritt 284 Schrittregler 252 SCL 130, 147 Semikolon 102 Setzdominanz 152 Signalfluss 87, 92 Signalgenerator 255, 262, 270 SIMATIC Manager 130 Simultanverzweigung 288 Slot-SPS 24 Soft-SPS 24, 107 Softwaremodell 35 Speicher 78, 152 speichernde Spule 90 SPS-Simulator 130 Spule 89 Standardfunktionen 74 STEP 7 46, 107, 141 Stoßfreier Übergang 245 Stromflusslinien 88 Struktur 57, 59 strukturierte Variable 64, 67 strukturierter Text 73, 101 Systemintegratoren 29 T Totzeit 231 Transition 284, 286 typbezogene Funktionen 77 U überladene Funktionen 77, 149 Unterbereich 57, 58 Unterbereichstyp 63 Unterstrich 49 V VAR_ACCESS 83 VAR_EXTERNAL 81 VAR_IN_OUT 79, 82 VAR_INPUT 72, 79 VAR_OUTPUT 79 Variablen-Deklaration 66 Vergleichsfunktion 189 W Warmstart 65 WHILE 104 Wiederholungszahl 61, 66 X XML 33 XOR 150 Z Zähler 154 Zeichen 49 Zeichenfolge Literale 52 Zeichensatz 49 Zeit 193 Zeitdauer 53, 54 Zeitglieder 156 Zeitliteral 53 Zeitplan 43 Zeitpunkt 53, 54 Zertifizierung 31 Zugriffspfade 38 Zuweisung 102 Zuweisungszeichen 72, 102 Zwei-Zeichen- Kombination 53 Zykluszeit 25, 47, 229