2. Arbeitsweise einer SPS

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1 Automatisierungstechnik Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik 2. Arbeitsweise einer SPS Fachhochschule Südwestfalen Raum K206 Seite 0

2 I. Lehrziele 2. Arbeitsweise einer SPS Die zyklische Ausführung eines Anwendungsprogrammes einer SPS durch Programmierung eines Organisationsbausteins kennenlernen. Festlegen von Adressen, Variablennamen und Datentypen für Signale zur Bearbeitung mit einer SPS. Programmierbefehle zum Einlesen und Ausgeben von digitalen Prozess-Signalen DI bzw. DO einsetzen. Verfahren zum Beobachten und Steuern von Signalzuständen anwenden. II. Grundlagen Mit einer SPS wird einen Prozess (Druckmaschine für Zeitungen, Abfüllanlage, Presse für Kunststoffformteile,...) gesteuert. Dies geschieht entsprechend den Anweisungen eines Programms das im Speicher der SPS steht. Programm geladen im Speicher der SPS... Speicher... steuert die Maschine Programm mit Anweisungen SPS Die SPS steuert den Prozess, indem so genannte Aktoren von den als Ausgängen bezeichneten Anschlüssen DO der SPS mit einer Steuerspannung von z.b. 24V beschaltet werden. Dadurch können Motoren ein-/ausgeschaltet, Ventile aus-/eingefahren oder Lampen ein-/ausgeschaltet werden. M SPS 24V Ausgänge 0V M Lampe leuchtet Die Ausgänge der SPS steuern die Aktoren durch Schalten der Steuerspannung! Lampe leuchtet nicht Informationen über den Prozess erhält die SPS von den so genannten Signalgebern, die auf die Eingänge der SPS DI verdrahtet sind. Diese Signalgeber können z.b. Sensoren sein, die erkennen ob ein Werkstück an einer bestimmten Position liegt oder auch einfache Schalter oder Taster, die offen oder geschlossen sein können. Dabei wird noch zwischen Öffnern NC, die unbetätigt geschlossen, und Schließern NO, die unbetätigt offen sind, unterschieden. 24V SPS 24V Eingänge 0V 24V Schalter geschlossen Die Eingänge der SPS erfassen die Informationen über Zustände im Prozess! Schalter offen Seite 1

3 Die Angabe eines bestimmten Ein- oder Ausgangs innerhalb des Programms bezeichnet man als Adressierung. Die Ein- und Ausgänge der SPS sind meist in 8er-Gruppen auf Digitaleingabe- bzw. Digitalausgabebaugruppen zusammengefasst. Diese 8er-Einheit bezeichnet man als Byte. Jede solche Gruppe erhält eine Nummer als Byteadresse. Um nun einen einzelnen Ein- oder Ausgang innerhalb eines Bytes anzusprechen wird jedes Byte in acht einzelne Bits zerlegt. Diese werden von Bit 0 bis Bit 7 durchnummeriert. So erhält man die Bitadresse. Die dargestellte SPS hat ein Signalmodul mit den Eingangsbytes 64 und 65 sowie den Ausgangsbytes 64 und DI Digital- Eingänge Byte 64 Bit 0 bis 7 und 16 DO Digital- Ausgänge Byte 64 Bit 0 bis 7 und Byte 65 Bit 0 bis 7 Byte 65 Bit 0 bis 7 Um nun den z.b. fünften digitalen Eingang anzusprechen gibt man die folgende Adresse an: %I %I kennzeichnet hier den Adresstyp als Eingang, 64 die Byteadresse und 4 die Bitadresse. Byteadresse und Bitadresse sind immer durch einen Punkt getrennt. Datentypen legen die Eigenschaften von Variablen wie die Darstellung des Inhalts und die zulässigen Bereiche fest. Die Tabelle zeigt eine Übersicht elementarer Datentypen: Seite 2

4 Die absolute Adresse (gekennzeichnet durch vorangestelltes Prozentzeichen %) eines Signalzustands oder Zahlenwerts besteht aus der Angabe des Operandenbereichs und der Operandenbreite, ergänzt durch eine Nummer, die die Position innerhalb des Operandenbereichs angibt. Peripherie-Ein und Ausgänge sind Operanden direkt auf den Baugruppen z.b. AI / AO Kanäle, zur Kennzeichnung wird ein :P angehängt. Die Tabelle zeigt die absolute Adressierung von Eingängen, Ausgängen und Merkern (interne Operanden). Operandenbereich Operanden- Kennzeichen Bit (1 Bit) Byte B (8 Bits) Wort W (16 Bits) Doppelwort D (32 Bits) Eingang I (deutsch E) %Iy.x %IBy %IWy %IDy Peripherie-Eingang I:P %IBy:P %IWy:P %IDy:P Ausgang Q (deutsch A) %Qy.x %QBy %QWy %QDy Peripherie-Ausgang Q:P %QBy:P %QWy:P %QDy:P Merker M %My.x %MBy %MWy %MDy y = Byteadresse; x = Bitadresse Bei der symbolischen Adressierung wird ein Operand mit einem Namen und Datentyp versehen. Beispielsweise könnte der Operand %I2.5 den Namen Maschine einschalten und den Datentyp BOOL erhalten. Die Variable Maschine einschalten kann dann im Programm anstatt der absoluten Adresse verwendet werden. Die Deklaration der symbolischen Bezeichnungen erfolgt in einer PLC-Variablentabelle. Die Programmbearbeitung in einer SPS geschieht zyklisch mit folgendem Ablauf: 1. Im ersten Schritt wird der Status aus dem Prozessabbild der Ausgänge (PAA) an die Ausgänge übertragen und diese ein- bzw. ausgeschaltet. 2. Danach fragt der Prozessor ab ob die einzelnen Eingänge Spannung führen oder nicht. Dieser Status der Eingänge wird in dem Prozessabbild der Eingänge (PAE) gespeichert. Dabei wird für die Spannung führenden Eingänge die Information 1, für die keine Spannung führenden die Information Der Prozessor arbeitet das im Programmspeicher hinterlegte Programm ab. Es besteht aus einer Liste logischer Verknüpfungen und Anweisungen, die nacheinander abgearbeitet werden. Dabei wird für die benötigte Eingangsinformation auf das vorher eingelesene PAE zugegriffen und die Verknüpfungsergebnisse in das Prozessabbild der Ausgänge (PAA) geschrieben. Auch auf andere Speicherbereiche z.b. für Lokaldaten der Unterprogramme, Datenbausteine und Merker wird während der Programmbearbeitung ggf. vom Prozessor zugegriffen. 4. Abschließend werden noch interne Aufgaben des Betriebssystems wie Selbsttest und Kommunikation ausgeführt. Danach geht es wieder weiter mit Punkt Status aus dem PAA an die Ausgänge übertragen. 2. Status der Eingänge im PAE speichern. 3. Abarbeiten des Programms Anweisung für Anweisung mit Zugriff auf PAE und PAA Programm der SPS im Programmspeicher 1. Anweisung 2. Anweisung 3. Anweisung 4. Anweisung... letzte Anweisung PAE Lokaldaten Merker Datenbausteine PAA 4. Interne Aufgaben des Betriebssystems ausführen. (Kommunikation, Selbsttest etc ) Die Zeit die der Prozessor für diesen Ablauf benötigt nennt man Zykluszeit. Diese ist abhängig von Anzahl und Art der Anweisungen und der Prozessorleistung. Seite 3

5 III. Versuchsablauf 2. Arbeitsweise einer SPS Dieser Versuch baut auf eine erfolgte Gerätekonfiguration und Parametrierung der Hardware für die SPS- Station auf. Für den späteren Anschluss einer Sensorbox an die SPS-Station wird zunächst eine PLC-Variablentabelle erstellt in der eine symbolische Adressierung mit Namen und Datentypen für Operanden vorgenommen wird. Danach wird ein Organisationsbaustein OB1 für den zyklischen Programmablauf der SPS erstellt und programmiert. Mit einem einfachen Programm in der Programmiersprache FUP wird durch Verknüpfungen das Einlesen von Eingangssignalen und das Ausgeben von Ausgangssignalen vorgenommen. Nach Übertragung des Steuerungsprogramms in die CPU der SPS-Station wird der Programmablauf in der SPS nach Erstellung einer Beobachtungstabelle für die Variablen beobachtet und gesteuert. Zuletzt sollen durch Rückkopplung eines binären Ausgangssignals auf einen Eingang am Anschlussfeld der SPS-Station mit einem Oszilloskop die zyklische Arbeitsweise durch die Aufnahme des Signalverhaltens verdeutlicht werden. Versuchsablauf zu TIA Arbeitsweise einer SPS 1. Variablentabelle Sicherstellen der korrekten Gerätekonfiguration PLC-Variablentabelle erstellen und symbolische Adressierung vornehmen 2. Organisationsbaustein programmieren Organisationsbaustein OB1 erstellen Netzwerke mit Verknüpfungen zum Einlesen uns Ausgeben von Signalen programmieren Programm in die CPU der SPS-Station übertragen 3. Beobachtungstabelle 4. Test mit Rückkopplung Neue Beobachtungstabelle hinzufügen Variablen aus PLC-Variablentabelle übernehmen Mit Online-Verbindung Signalzustände der Eingangsvariablen beobachten und Ausgangsvariablen steuern Steuerungsprogramm editieren Rückkopplung am Anschlussfeld verschalten Verhalten des Ausgangssignals mit Oszilloskop analysieren Versuchsende Seite 4

6 1. Variablentabelle erstellen 1.1 In der Projektnavigation unter PLC_1 [CPU 3 ] PLC-Variablen auf Neue Variablentabelle hinzufügen doppelklicken und die Variablentabelle_1 dann öffnen. 1.2 In der Variablentabelle dann nebenstehende symbolische Adressierung mit Eingaben für Name, Datentyp und Adresse machen: Falls in noch Variablen wie z.b. stehen. Löschen Sie diese dort zuvor. Eine Adresse darf nur einmal verwendet werden! 2. Organisationsbaustein programmieren 2.1 In der Projektnavigation unter Programmbausteine den Main [OB1] aufrufen. Mit Rechtsklick auf Main [OB1] unter Eigenschaften als Sprache FUP auswählen. Seite 5

7 2.2 Mit dem Editor folgendes kleines Programm erstellen, mit dem ein Eingangssignal einem Ausgang zugewiesen wird. In das noch leere Netzwerk 1 werden zwei Leerboxen per Drag&Drop in das Feld gezogen. Die?? Fragezeichen in den Kopfzeilen der Boxen werden zu & (UND) sowie = (Zuweisung) geändert. 2.3 Der Ausgang der UND-Box wird nun mit dem Eingang der Zuweisungs-Box durch Ziehen einer Verbindungslinie verbunden. Die <??.?> am Eingang und über der Zuweisungs-Box werden durch Doppelklick umbenannt. Beim Eintippen öffnet sich eine Liste von bereits definierten PLC-Variablen. Als Eingang der UND-Box Induktiv (%I64.1) und in der Zuweisung Ausgang0 (%Q64.0) wählen. Der zweite Eingang der UND- Box kann gelöscht werden. 2.4 Mit Rechtsklick im Feld von Netzwerk 1 ein neues Netzwerk einfügen. Im Netzwerk 2 dieselben Schritte wie in Netzwerk 1 durchführen. Verknüpfungen können auch aus der Task-Card Anweisungen gezogen werden. Hier werden nun als Eingang Kapazitiv und als Ausgang Ausgang1 zur Belegung verwendet. Seite 6

8 2.5 Mit Netzwerk 3 soll das IN1- Signal am OUT3 des AS-i- Slaves 31 ausgegeben werden. Hierzu die entsprechende Zuweisung mit den Variablen für %I83.0 und %Q83.2 programmieren. 2.6 Das Programm kann dann mit Klick auf in die CPU der SPS-Station geladen werden. Alternativ kann auch über Rechtsklick auf PLC_1 Laden in Gerät mit den Optionen: - Alles - Nur Hardwarekonfiguration - Nur Software aufgerufen werden. 3. Beobachtungstabelle 3.1 In der Projektnavigation unter PLC_1 [CPU 3 ] Beobachtungs- und Forcetabelle eine Neue Beobachtungstabelle hinzufügen. In diese werden nun die PLC- Variablen aus der Variablentabelle übernommen. Hierzu alle Zeilen in der Variablentabelle_1 markieren, kopieren und in die Beobachtungstabelle_1 einfügen. Seite 7

9 3.2 Mit einem Klick auf wird die Verbindung zur SPS-Station gestartet. Der Kippschalter an der SPS kann nun auf RUN gesetzt werden. Im linken Fenster sollten nun ausschließlich grüne Markierungen und Haken vorzufinden sein. 3.3 Um alle Ein- und Ausgänge zu beobachten, oben auf das linke Brillensymbol klicken. Mit Rechtsklick im Bereich der Liste kann die Option Erweiterter Modus aktiviert werden um Vorgaben für das Beobachten und Steuern zu machen. Alternativ Symbol 3.4 Mit den Kippschaltern am Anschlussfeld der SPS können digitalen Eingänge gesetzt werden (Digital Input). Die Veränderungen werden in der Beobachtungstabelle unter Spalte Beobachtungswert angezeigt. Durch das Programm werden die Ein- und Ausgänge miteinander verknüpft. I64.0 Q64.1 I64.1 Q64.0 Das AS-Interface kann über den Kippschalter an IN1 am AS-i-Slave 31 geprüft werden. I83.0 Q83.2 Überprüfen Sie das Signalverhalten. Seite 8

10 3.5 Ausgänge können auch unabhängig vom Steuerungsprogramm gesetzt werden indem in der Spalte Steuerwert ein TRUE für Einschalten bzw. FALSE für Ausschalten vorgegeben wird. 3.6 Um den Steuerwert nun für den Ausgang zu übernehmen, den Steuerwert anwählen und das Symbol klicken (Steuern mit Triggerbedingung). Im erscheinenden Fenster auf Ja klicken. Der Beobachtungswert sollte nun dem Steuerwert entsprechen. Die Lampe unter Digital Output müsste aufleuchten. Danach erneut um das Steuern wieder zu beenden. 3.7 Neben den booleschen Signalen können auch analoge Signale, (Ultraschall- oder Temperatursensor) beobachtet werden. Ändern Sie dazu in der Zeile Ultraschall die Adresse von %IW288 auf %IW288:P (Direkter Peripheriezugriff). Wenn am Analog Input der Ausgang der Spannungsquelle 0 10V mit dem ersten Eingang (1. Messkanal der AI/AO- Baugruppe) über ein Kabel verbunden wird, kann mit dem Poti ein Beobachtungswert von 0 bis als Dezimalwert über den Messbereich von 0 bis 10V erzeugt werden. Seite 9

11 4. Test mit Rückkopplung 4.1 Über die Projektnavigation PLC_1 [CPU 3 ] Programmbausteine wieder Main [OB1] öffnen. Editieren Sie das Programm indem Sie im Netzwerk 2 auf die Verbindung zwischen den beiden Bausteinen klicken und diese mit invertieren. Diese Änderung dann wieder in die CPU der SPS übertragen: Main [OB1] Laden in Gerät Software. 4.2 Verbinden Sie am Anschlussfeld den Digital Input.0 mit dem Digital Output.1 mit einem Kabel um eine Rückkopplung zu verschalten. Betrachten Sie in der Beobachtungstabelle die Zustände von Kapazitiv und Ausgang1. (Nutzen Sie erneut falls dies nicht mehr aktiviert sein sollte.) 4.3 Erfassen Sie das Signal des Ausgangs nun mit einem Oszilloskop. Dazu CH1 des Oszilloskops mit Q64.1 und GND am Anschlussfeld verbinden. Durch den zyklischen Aufruf von OB1 wechselt das Signal mit einer Frequenz von 300 Hz zwischen den beiden Spannungs-Zuständen TRUE (24V) und FALSE (0V) da bei jedem Programmaufruf das Ausgangssignal invertiert wird. Messen Sie die Impulszeit am Oszilloskop aus. Seite 10

12 4.4 Eine weitere Rückkopplung, aber nur per Software, soll auch für Ausgang %Q64.0 realisiert werden: Tauschen Sie in Netzwerk 1 das Eingangssignal der &-Box gegen das invertierte Ausgangssignal %Q64.0 aus. Diese Änderung wieder in die CPU der SPS übertragen: Main [OB1] Laden in Gerät Software. Das Signal des Ausgangs auch mit dem Oszilloskop erfassen. Dazu CH2 des Oszilloskops mit Q64.0 am Anschlussfeld verbinden und die Impulszeit für dieses Ausgangssignal messen. Da das Eingangssignal nicht über die Hardware der DI-Baugruppe (Tiefpassfilter) kommt, ist die Bearbeitungszeit kürzer. 4.5 Die Ansteuerung von Ausgang %Q64.0 soll jetzt nicht im OB1 sondern in dem Weckalarm- Organisationsbaustein OB35 erfolgen. In der Projektnavigation unter PLC_1 [CPU 31 ] Programmbausteine Neuen Baustein hinzufügen doppelklicken. Wählen Sie OB Organisationsbaustein 35 Time interrupts Cyclic Weckalarme Organisationsbausteine OB 32 bis 35 Weckalarme-OBs rufen Programmbausteine in festen definierbaren Zeitintervallen (z.b. alle 100 ms) und somit unabhängig von der zyklischen Bearbeitungszeit des Hauptprogramms Main [OB1] auf. mit OK aus. Kopieren Sie nun den Inhalt von Netzwerk 1 aus Main [OB1] in das Netzwerk 1 des neuen CYC_INT5 [OB35]. Löschen Sie anschließend den Inhalt von Netzwerk 1 im Main [OB1]. (Die Ansteuerung von %Q64.0 Ausgang0 erfolgt nun im OB35) Speichern Sie das Projekt Seite 11

13 Jetzt alle Programmbausteine in die CPU der SPS übertragen: Laden in Gerät Software (alle Bausteine) Bestimmen Sie am Oszilloskop jetzt die Impulszeit für die Ansteuerung von Q64.0 Ausgang0. (Dies ist dann das Zeitintervall für den Aufruf von OB35.) 4.6 Zum Versuchsende sind die nebenstehenden Punkte in der Reihenfolge durchführen: Am Anschlussfeld der SPS-Station die Kabel am Digital Input Output und am Analog Input entfernen Im TIA-Portal Online-Verbindung trennen und dann Projekt Beenden (Fenster schließen) Nein, speichern ist nicht nötig! Das war`s Seite 12

14 Vorbereitungsbogen Drucken Sie diese Seite aus und beantworten Sie als Vorbereitung zu diesem Praktikumsversuch die folgenden Verständnisfragen handschriftlich und bringen Sie den Bogen zum Versuch mit! 1. Wie steuert eine SPS einen Prozess? 2. Wie erhält eine SPS Informationen über Zustände im Prozess? 3. Unter welcher absoluten Adresse kann der erste Digitalausgang der Beispiel-SPS von Seite 2 angesteuert werden? 4. Welche Werte und Datentypen können binäre Signale aufweisen? 5. Was wird bei einer symbolischen Adressierung vorgenommen? 6. Welche Vorteile bietet die symbolische Adressierung? Seite 13