1 Aufbau einer SPS. Automatisierungstechnik. Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik. 1 Aufbau einer SPS

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1 Automatisierungstechnik Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik 1 Aufbau einer SPS [Konfiguration Geräte & Netze] Fachhochschule Südwestfalen Labor für Automatisierungstechnik Raum K206 TIA V13 SP1 Bearbeitungszeit: 45 min Nur für den internen Gebrauch der Studierenden an der Fachhochschule Südwestfalen Seite 1-0

2 I. Lehrziele 1 Aufbau einer SPS Den typischen Aufbau eines Automatisierungs-Systems anhand einer modularen SPS-Anlage (SIEMENS SIMATIC S7) kennenlernen. Den Umgang mit dem Programmierwerkzeug TIA Portal (SIEMENS) üben. Für eine SPS-Anlage die Gerätekonfiguration durch eine Projektierung der eingesetzten Hardwarekomponenten durchführen. Die Komponentenvernetzung über Bussysteme (PROFIBUS-DP und AS-i) projektieren. Eine Adressierung von Signal-, Kommunikations- und Interface-Modulen vornehmen. Eine reale SPS-Anlage durch Übertragung der Gerätekonfiguration in Betrieb nehmen. II. Grundlagen Automatisierungssystem SIMATIC S7-300 (SIEMENS) Das Automatisierungssystem SIMATIC S7-300 ist ein modulares Steuerungssystem für den unteren und mittleren Leistungsbereich. Es gibt ein umfassendes Baugruppenspektrum zur Anpassung an die Automatisierungsaufgabe. Die S7-Steuerung besteht aus Modulen die auf einen Baugruppenträger steckbar sind: Die CPU-Zentralbaugruppe enthält das Betriebssystem und das Anwenderprogramm sowie Bus-Schnittstellen. Die Verbindung zur gesteuerten Anlage übernehmen SM-Baugruppen für Digital- und Analogsignale. Die FM-Baugruppen dienen der Signalvorverarbeitung für Sonderfunktionen wie z.b. Impulse zählen, positionieren oder Antriebe regeln. Die CP-Baugruppen sind Kommunikationsprozessoren für besondere Netzanbindungen wie z.b. AS-Interface. Die IM-Baugruppen verbinden bei einer Erweiterung den Zentralbaugruppenträger mit Erweiterungsbaugruppenträgern. Eine PS- Baugruppe dient der Stromversorgung im Automatisierungsgerät. Die Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS/PLC) überwacht und steuert mit dem S7-Programm eine Maschine oder einen Prozess. Die E/A-Baugruppen werden dabei im S7-Programm über die Eingangsadressen (%I) abgefragt und Ausgangsadressen (%Q) angesprochen. Programmiert wird das System mit der Software STEP 7. Programmiersoftware STEP 7 Professional V13 (TIA Portal V13) Die Software STEP 7 Professional V13 (TIA Portal V13) ist das Programmierwerkzeug für alle SIMATIC S7 Automatisierungssysteme. Es können damit die folgenden Funktionen für die Automatisierung einer Anlage genutzt werden: Konfigurierung und Parametrierung der Hardware sowie Festlegung der Kommunikation Programmierung, Test, Inbetriebnahme, Dokumentation und Service (Betriebs-/Diagnosefunktionen) Erstellung von Visualisierungen für SIMATIC HMI-Panels mit dem integrierten WinCC Seite 1-1

3 Die Software Totally Integrated Automation Portal zur Projektverwaltung und Programmierung besitzt zweierlei Ansichten: die Portalansicht und die Projektansicht. 1 Aufbau einer SPS Die Portalansicht bietet eine aufgabenorientierte Sicht der Werkzeuge zur Bearbeitung des Projektes. Hier kann schnell ein Projekt verwaltet und das Werkzeug für die jeweilige Aufgabe aufgerufen werden. Vor allem der Einstieg und die ersten Schritte sollen hier erleichtert werden. Links unten kann zwischen Portalansicht und Projektansicht gewechselt werden. Die Projektansicht ist eine strukturierte Sicht auf alle Bestandteile des Projekts. Dabei gibt es standardmäßig oben die Menüleiste mit den Funktionsleisten, links die Projektnavigation mit sämtlichen Bestandteilen eines Projektes und rechts die so genannten Task- Cards mit z.b. Anweisungen und Bibliotheken. Wird in der Projektnavigation ein Element (z.b. der Programmbaustein FC1) ausgewählt so wird dieser in der Mitte im Arbeitsfenster angezeigt und kann dort bearbeitet werden. Das Inspektorfenster unter dem Arbeitsfenster zeigt die Eigenschaften des im Arbeitsfenster markierten Objekts (z.b. Adressen, Symbolnamen, Attribute ) Seite 1-2

4 III. Versuchsablauf 1 Aufbau einer SPS In diesem Versuch soll eine Automatisierungssystem SIMATIC S7-300 in Betrieb genommen werden. Dazu wird im TIA-Portal die Gerätekonfiguration der real vorhandenen SPS-Station durchgeführt. Mit der Gerätekonfiguration wird der Hardware- Aufbau geplant, dies geschieht offline ohne Verbindung zur CPU der SPS-Station. In einem kurzen Test können dann in einer Online- Verbindung zur CPU Signalwerte beobachtet und gesteuert werden. Dies wird zuerst mit der realen CPU der SPS- Hardware und danach mit einer simulierten CPU in PLCSIM durchgeführt. Im TIA-Portal wird dabei ein neues Projekt erstellt und dann eine Station konfiguriert, wobei durch Auswahl der Komponenten aus dem Hardwarekatalog der exakte Aufbau der SPS Station im Softwareprojekt nachgebildet wird. Unter Konfigurieren versteht man das Hinzufügen einer Station zum Projekt und bei einer PLC-Station das Anordnen der Baugruppen in einem Baugruppenträger sowie das Bestücken mit Modulen. Nach dieser Konfiguration werden die Baugruppen parametriert. Darunter versteht man das Einstellen der Baugruppeneigenschaften wie das Einstellen von Adressen und das Festlegen von Kommunikationseigenschaften. Über die E/A-Adressen wird z.b. festgelegt wo jedes binäre oder analoge Signal eingelesen oder ausgegeben werden kann. Die Projektierung der Vernetzung ist ebenso ein Teil der Gerätekonfiguration, hier werden die Adressen der Teilnehmer (Stationen) und die Verbindungen für die Datenkommunikation festgelegt. Nach Abschluss der Gerätekonfiguration werden die Konfigurationsdaten in eine für die CPU verständliche Form übersetzt und in die CPU-Baugruppe geladen. Seite 1-3

5 Versuchsablauf zu TIA Aufbau einer SPS 1. Neues Projekt erstellen TIA Portal aufrufen und neues Projekt erstellen Wechseln zwischen Portal- und Projektansicht 2. Konfiguration der Hardware CPU auswählen und PROFIBUS-Adresse einstellen DP-Baugruppe auswählen und mit der CPU vernetzen Baugruppenträger bestücken und die Adressen der Module einstellen 3. Übertragung Aufbau Online-Verbindung zur CPU der SPS-Station Gerätekonfiguration in die SPS übertragen 4. Ein kurzer Test Beobachtungs- und Forcetabelle erstellen Beobachten und Steuern von Signalen am Anschlussfeld der SPS-Station Beobachten und Steuern von Signalen mit PLCSIM (Simulation) Versuchsende Seite 1-4

6 Aufbau der SPS Station im Labor Zur Kommunikation mit der SPS Station hat der Programmier-PC eine PROFIBUS-Karte (CP56xx), die mit dem PROFIBUS-Netz der SPS Station verbunden ist. Darüber kann das Anwenderprogramm und die Konfiguration in die SPS Station geladen werden. Ebenso kann im Online-Modus das Verhalten und die Signalzustände beobachtet werden. Das Bild auf Seite 6 zeigt den Aufbau der SPS-Station. Auf dem Zentralbaugruppenträger sind die Module: PS 307 5A Gleichstromversorgung 24V auf Steckplatz 1 CPU31x CPU-Zentralbaugruppe mit PROFIBUS- Schnittstelle auf Steckplatz 2 SM-Baugruppen Signalbaugruppen wie DI Digitaleingabebaugruppe für den Anschluss von binären Sensoren (z.b. Schalter) DO Digitalausgabebaugruppe für den Anschluss von binären Aktoren (z.b. Lampe, Relais,) AI Analogeingabebaugruppe für den Anschluss von analogen Sensoren (z.b. Ultraschallsensor) AO Analogausgabebaugruppe für den Anschluss von analogen Aktoren (z.b. Proportionalventil) Auf dem Erweiterungsbaugruppenträger sind: AS-i Power zusätzliche Spannungsversorgung mit 30V für das AS-i-Feldbussystem. (Diese Baugruppe wird im TIA-Portal nicht konfiguriert) IM 153 Interfacemodul ET 200M mit PROFIBUS- Schnittstelle zur Verbindung mit dem Zentralbaugruppenträger über PROFIBUS-Leitung CP AS-Interface Masterbaugruppe zum Anschluss von AS-i-Slaves über AS-i-Leitung 1 Aufbau einer SPS Hinweis: Der Aufbau Ihrer vorliegenden SPS-Station kann individuell etwas von dem Beispiel in der nachfolgenden Anleitung abweichen. Sie müssen aber exakt den Aufbau Ihrer SPS Station konfigurieren!!! Die im Labor aufgebaute SPS-Station besitzt unten ein Anschlussfeld für digitale und analoge Signale, das mit den Baugruppen auf den Baugruppenträgern bereits verdrahtet ist. Im Feld Digital Input können binäre Sensoren angeschlossen oder mittels der Rast-Tast-Schalter Signale direkt gegeben werden. Im Feld Digital Output können binäre Ausgangssignale herausgeführt werden. Die Signalzustände werden zusätzlich über LEDs angezeigt. Im Feld Analog Input können analoge Sensoren angeschlossen werden. Zur Simulation steht hier auch eine Gleichspannungsquelle mit 0 10V zur Verfügung. Im Feld Analog Output kann ein vom D/A-Wandler erzeugtes analoges Spannungssignal abgegriffen werden. Des Weiteren ist im Feld AS Interface ein 2I/2O AS-i-Slave-Modul (Adresse 31) eingebaut und die AS-i-Busleitung an den beiden Buchsen herausgeführt. Das untere Bild zeigt schematisch die Verbindungen der SPS-Station im Labor: Seite 1-5

7 Touch Panel TP177B als HMI 3 Zentralbaugruppenträger 1 2 PROFIBUS-Leitung 5 6 Erweiterungsbaugruppenträger 4 AS-i-Busleitung AS-Interface Anschlussfeld für DI/DO/AI/AO-Signale Seite 1-6

8 1. Neues Projekt erstellen 1.1 Link TIA Portal aufrufen 1.2 Im Startfenster Neues Projekt erstellen wählen und mit einem neuen Projektnamen, im Pfad C:\TIA\Student Erstellen. 2. Konfiguration der Hardware 2.1 Unter Erste Schritte bei Geräte & Netze zunächst Ein Gerät konfigurieren wählen. Im Anschluss Ein neues Gerät hinzufügen auswählen. (Gerätename PLC_1 wird später automatisch vergeben) 2.2 Wählen Sie unter Controller SIMATIC S7-300 CPU exakt die CPU Ihrer SPS- Station aus!!! Hier Ihre CPU auswählen! Die Bestellnummer ist unten auf der HW-Baugruppe aufgedruckt. Die Version kann im Musterblatt Ihrer SPS-Station abgelesen werden. Danach Hinzufügen klicken. Seite 1-7

9 2.3 Es öffnet sich die Projektansicht. Klicken Sie nun im Arbeitsfenster bei Gerätesicht den rechten umrandeten MPI/DP- Schnittstellen-Anschluss von PLC_1 doppelt an. MPI/DP-Schnittstelle 2.4 Zur Einstellung der PROFI- BUS-Adresse im Inspektorfenster unter Eigenschaften Allgemein bei MPI- bzw. PROFIBUS- Adresse folgende Einstellungen vornehmen: Parameter Schnittstellentyp: PROFIBUS Adresse: 2 Schnittstelle vernetzt mit [Neues Subnetz hinzufügen] PROFIBUS_1 2.5 Zur Vernetzung von PLC_1 mit dem Interface Modul IM 153 auf dem Erweiterungsbaugruppenträger über das PROFIBUS- Netz wechseln Sie im Arbeitsfenster auf die Netzsicht. Seite 1-8

10 2.6 Aus dem Hardware-Katalog im rechten Fenster Ihr IM-153 Modul auswählen. Dezentrale Peripherie ET 200M Interfacemodule PROFIBUS IM (Ihr Modul) Das gewählte Modul dann per Drag & Drop mit der Maus in die Netzsicht neben die Steuerung PLC_1 ziehen. 2.7 Nun werden die DP-Schnittstelle der CPU und die IM 153 verbunden. Dazu mit der Maus die PRO- FIBUS_1-Verbindung auf den DP-Anschluss der IM ziehen. Für die IM dann mit Klick auf Nicht zugeordnet als Master die PLC_1.MPI/DP- Schnittstelle_1 auswählen. 2.8 Nun wird für Slave_1 [IM 153] die PROFIBUS-Adresse eingestellt. Dazu die DP-Schnittstelle von IM anklicken. Im Inspektorfenster unter Eigenschaften Allgemein bei PROFIBUS-Adresse einstellen: Subnetz: PROFIBUS_1 Adresse: 3 Seite 1-9

11 2.9 Markieren Sie im Arbeitsfenster die PLC_1 und wechseln dann von Netzsicht auf Gerätesicht um die Steckplätze des Zentralbaugruppenträgers zu bestücken. Als Erstes wird eine Power Supply (PS) hinzugefügt. Dazu aus dem Hardwarekatalog PS PS 307 5A das entsprechende Gerät (Bestellnummer) auf den Steckplatz 1 der Profilschiene ziehen Dann werden die Signalmodule für DI Digital Input auf die Steckplätze neben PLC_1 platziert. Hierzu erneut aus dem Hardwarekatalog jetzt unter DI/DO das passenden Modul für den Aufbau ihrer SPS- Station auswählen und auf Steckplatz 4 der Profilschiene ziehen. DI16/DO16 ist eine kombinierte Baugruppe mit 16 Digitalen Ein- und 16 Digitalen Ausgängen. Wären weitere Signalmodule auf den nächsten Steckplätzen vorhanden, würden sie aus dem Katalog ausgewählt und auch auf die entsprechenden Steckplätze der Profilschiene gezogen. Dies ist bei Ihrer SPS-Station aber nicht der Fall. Seite 1-10

12 2.11 Für jedes Modul werden nun die Ein- und Ausgangsadressen angepasst. Klicken Sie das jeweilige Modul an. Im Inspektorfenster unter Allgemein E/A-Adressen für jedes Modul parametrieren: DI Eingangsadressen Anfangsadresse: 64 DO Ausgangsadressen Anfangsadresse: 64 AI Eingangsadressen Anfangsadresse: 288 AO Ausgangsadressen Anfangsadresse: 288 Einstellungen wie Musterblatt Gerätekonfiguration Ihrer SPS-Station vornehmen! Mit lässt sich dazu die Geräteübersicht auf- und zuklappen um dort direkt die E- und A-Adressen einzugeben Wechseln Sie in die Netzsicht und klicken Sie den Slave_1 doppelt an, es öffnet sich die Gerätesicht für Slave_1. Ziehen Sie aus dem Hardware- Katalog unter Kommunikationsmodule AS-Interface CP das AS-i-Mastermodul auf den Steckplatz 4 (CP343-2_1). Seite 1-11

13 2.13 Dann die Adressen der Ein- und Ausgänge für den AS-i-Bus im Inspektorfenster unter Allgemein E/A-Adressen einstellen: Eingangadressen Anfangsadresse: 68 1 Aufbau einer SPS (Die Endadresse wird dann automatisch 83) Falls noch nicht geschehen, das Projekt speichern Nun wird die Konfiguration der Baugruppen übersetzt. Wählen Sie in der Projektnavigation die PLC_1 [CPU 314C...] an. Klicken Sie danach in der oberen Menüleiste auf das Symbol Übersetzen:. Im Info Fenster sollten daraufhin alle Zeilen mit einem Haken links versehen sein. Setzen Sie den Kippschalter an der CPU auf STOP. 3. Übertragung 3.1 Mit Klick auf laden Sie die Konfiguration in die CPU. Im neuen Fenster werden folgende Einstellungen vorgenommen: Typ der PG/PC-Schnittstelle: PROFIBUS PC/PC-Schnittstelle: CP5611 bzw. CP5622 Verbindung mit Subnetz: PROFIBUS_1 Bei den erreichbaren Teilnehmern Ihre Gerät auswählen (Adresse 2) und auf Laden klicken. Seite 1-12

14 3.2 In der Vorschau Laden sollten alle Zeilen mit einem Haken links versehen sein. Ist dies der Fall, auf Laden klicken. Wenn nach dem Laden an der CPU keine rote LED mehr leuchtet, haben Sie alles richtig gemacht und die Hardwarekonfiguration für Ihre SPS- Station ist abgeschlossen. Leuchtet SF oder BF weiterhin rot haben Sie Fehler in der Konfiguration gemacht 4. Ein kurzer Test 4.1 Zum Beobachten und Steuern von Signalwerten in der Projektnavigation unter PLC_1 [CPU 314C ] Beobachtungs- und Forcetabellen eine Neue Beobachtungstabelle hinzufügen und darin unter Adresse %I64.0 und %Q64.0 eingeben. Danach den Kippschalter der CPU auf RUN setzen und in der Menüleiste wählen. Mit dem Brillensymbol kann dann der Signalzustand beobachtet werden. Betätigen Sie dazu im Anschlussfeld der SPS-Station den ersten Kippschalter links oben.0 Um ein Ausgangssignal zu steuern geben Sie für %Q64.0 als Steuerwert 1 bzw. TRUE vor. Mit dem Blitzsymbol können dann die Steuerwerte aktiviert werden (Digital Output im Anschlussfeld beobachten). Mit Steuerwert 0 bzw. FALSE kann das Ausgangssignal wieder ausgeschaltet werden. Anschlussfeld der SPS-Station Zum Beenden dann wieder Seite 1-13

15 4.2 Für einen Test ohne reale SPS- Hardware steht die Simulation PLCSIM zur Verfügung. Markieren Sie in der Projektnavigation PLC_1 [CPU 314C ] und wählen in der oberen Menüleiste Online Simulation Starten oder Symbol aus. (Warnung mit OK bestätigen.) 1 Aufbau einer SPS Es öffnet sich S7-PLCSIM und das Fenster Erweitertes Laden. [Warten Sie bis die Fenster für das Laden erscheinen ] 4.3 Für Erweitertes Laden [Fenster erscheint nur, wenn die Schnittstelle noch nicht konfiguriert wurde] die Einstellungen vornehmen: Typ der PG/PC-Schnittstelle: PROFIBUS PG/PC-Schnittstelle: PLCSIM Verbindung mit Subnetz: PROFIBUS_1 Suche starten und Teilnehmer auswählen danach Laden Im Fenster Vorschau Laden auf Laden Das Steuerungsprogram wird damit in die simulierte CPU von PLCSIM übertragen. 4.4 Jetzt erst zum Fenster S7- PLCSIM wechseln. Über Menüpunkt Einfügen Eingänge und Ausgänge einfügen, die in dem zu testenden Programm verwendet werden und deren Adressen eingeben: Einfügen Eingang Einfügen Ausgang Byteadressen eingeben: Eingangsbytes: IB 64 Ausgangsbytes: QB 64 Mit Symbol das PLCSIM- Fenster im Vordergrund des Bildschirms fixieren. Seite 1-14

16 4.5 Zum Testen wieder in der Projektnavigation die 1 Aufbau einer SPS aufrufen und dort mit Symbol wieder in den Online- Beobachtungsmodus wechseln. Die Ein- und Ausgangssignale können jetzt in PLCSIM und in der Beobachtungstabelle beobachtet oder gesteuert werden. (z.b. in PLCSIM Bits per Mausklick ein- bzw. ausschalten) Zum Beenden dann wieder 4.6 Zum Versuchsende sind die nebenstehenden Punkte in der Reihenfolge durchführen: S7-PLCSIM Simulation Beenden (Fenster schließen) Nein - Nicht speichern! TIA-Portal Projekt Beenden (Fenster schließen) Seite 1-15

17 Vorbereitungsbogen Beantworten Sie als Vorbereitung zu diesem Praktikumsversuch die folgenden Verständnisfragen handschriftlich und bringen Sie den Bogen zum Versuch mit! 1. Wofür stehen die Begriffe: SIMATIC und TIA Portal? 2. Welche Baugruppen befinden sich auf dem Zentralbaugruppenträger? 3. Wie sind die Baugruppen des Zentralbaugruppenträgers und des Erweiterungsbaugruppenträgers miteinander verbunden? 4. Welche weiteren Verbindungen gibt es an der SPS-Station? 5. Was bedeuten DI, DO, AI und AO und wofür dienen sie? 6. Was versteht man unter Konfigurieren und Parametrieren der SPS-Station? Seite 1-16

18 Musterblatt Gerätekonfiguration SPS Station Zentralbaugruppenträger Erweiterungsbaugruppenträger Seite 1-17