Die Speicherprogrammierbare Steuerung SIMATIC S7

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1 Die Speicherprogrammierbare Steuerung SIMATIC S7 Ziel des Praktikums / Versuch 4:! Kennenlernen der Speicherprogrammierbaren Steuerung SIMATIC S7,! Kennenlernen des Entwicklungssystems STEP 7,! Entwurf und Implementierung binärer Steuerungen. 1. Grundlagen 1.1. Einführung Zur Vorbereitung: Skript Grundlagen der Mess- und Automatisierungstechnik: Abschnitt 2.1 Speicherprogrammierbare Steuerungen haben sich in den letzten Jahren zu universell einsetzbaren Automatisierungsgeräten entwickelt. Waren kleine SPS-Systeme ursprünglich für Steuerungsaufgaben mit vorwiegend binärer Signalverarbeitung - also zur Ablösung von Relaissteuerungen gedacht, so reicht der Einsatz großer Systeme heute in Bereiche hinein, die noch vor wenigen Jahren allein der Prozessrechentechnik vorbehalten waren. Diese Entwicklung wurde dadurch begünstigt, dass zum einen der Leistungsumfang der Hardware ständig erweitert wurde, zum Beispiel durch die Entwicklung immer leistungsfähigerer Prozessoren sowie intelligenter Peripheriebaugruppen für spezielle Aufgaben wie schnelle Analogwertverarbeitung, schnelle Regelungen, schnelles Zählen, genaue Positionierung oder genaue Dosierung; zum anderen komfortable, anwenderfreundliche Softwarewerkzeuge für Programmierung, Test und Inbetriebnahme der Steuerungen zur Verfügung gestellt wurden. Nicht zuletzt wurde das schnelle Vordringen der SPS-Technik in Bereiche des Maschinenbaus und der Verfahrenstechnik durch das immer günstiger werdende Preis-Leistungsverhältnis beschleunigt. Der gegenwärtige Entwicklungsstand ist dadurch gekennzeichnet, dass kleine, preiswerte Kompaktgeräte, in die häufig schon die Programmierfunktionen integriert sind, im unteren Leistungsbereich eingesetzt werden und mittlere und große SPS-Systeme, funktionsangepasst und modular ausbaufähig, als Prozessnahe Komponente in der Prozessleittechnik ihren festen Platz haben. Im Praktikum / Versuch 4 soll mit der SIMATIC S7-400 ein modernes industrielles Automatisierungsgerät der Reihe SIMATIC der Firma Siemens mit seiner zugehörigen Entwicklungsumgebung STEP 7 - vorgestellt werden. Die SIMATIC S7-300 ist eine modulare Kleinsteuerung für den unteren Leistungsbereich, wohingegen die SIMATIC S7-400 den mittleren, oberen und obersten Leistungsbereich abdeckt. 1

2 1.2. Das Automatisierungsgerät (AG) Das Automatisierungssystem SIMATIC S7 300/400 ist modular aufgebaut und besteht aus der Zentralbaugruppe (CPU) den Signalbaugruppen (SM) den Kommunikationsbaugruppen (CP) Alle Baugruppen werden von einem (oder mehreren) Baugruppenträger(n) aufgenommen und über den darin befindlichen Rückwandbus untereinander und mit der Stromversorgungsbaugruppe (PS) verbunden. Die Zentralbaugruppe speichert und bearbeitet das Anwenderprogramm. Ein Ladespeicher (Memory-card) enthält das komplette Anwenderprogramm, die ablaufrelevanten Programmteile befinden sich im Arbeitsspeicher (RAM), der mit seinen kurzen Zugriffszeiten Voraussetzung für eine schnelle Programmbearbeitung ist. Außerdem verfügt die CPU über einen Systemspeicher, der die Operanden (Variablen) enthält, die vom Programm angesprochen werden können, dazu gehören die folgenden Operandenbereiche: Eingänge (E) - sie enthalten die Signalzustände an den Digitaleingabebaugruppen: Prozessabbild der Eingänge Ausgänge (A) - sie speichern die Signalzustände an den Digitalausgabebaugruppen: Prozessabbild der Ausgänge Merker (M) - sie stellen Zwischenspeicher für Variablen dar Zeitfunktionen (T) - sind Zeitglieder, mit deren Hilfe Warte- und Überwachungszeiten realisiert werden können. Zählfunktionen (Z) - sind Softwarezähler, mit deren Hilfe Zählfunktionen realisiert werden können. temporäre Lokaldaten (L) dienen als dynamische Zwischenspeicher während der Bausteinbearbeitung. Jede Zentralbaugruppe ist standardmäßig mit einer mehrpunktfähigen Schnittstelle ausgerüstet (Multi Point Interface - MPI), über die Programmiergeräte, Bedien- und Beobachtungsgeräte oder weitere Zentralbaugruppen angeschlossen werden können. Weiterer Datentausch mit Rechnern oder anderen Automatisierungsgeräten ist über die Kommunikationsbaugruppen möglich, die je nach Konfiguration die Standard-Protokolle für Profibus, Industrial Ethernet, AS-Interface u.a. realisieren. Mögliche Peripheriebaugruppen sind: Digitaleingabe- und Digitalausgabebaugruppen, Analogeingabe- und Analogausgabebaugruppen, Funktionsmodule mit Zählern, Zeitgliedern, Reglern u.a. Die im vorliegenden Versuch vorhandene Gerätekonfiguration enthält 64 digitale Eingänge: 24 V DC, potentialgetrennt 64 digitale Ausgänge: 24 V DC, 0,5 A, potentialgetrennt 32 analoge Eingänge: 0... ±10V, potentialgetrennt, 13 bit Auflösung 16 analoge Ausgänge: V, 13 bit Auflösung 4 externe Zähler: 500 khz, für 5 V oder 24 V Impulsgeber 2

3 Das folgende Bild zeigt den grundsätzlichen Aufbau des Automatisierungsgerätes. Bild 1: Funktionseinheiten des Automatisierungsgerätes Das Betriebssystem ist unveränderlich in einem ROM gespeichert. Es umfasst die Systemprogramme, in denen die Ausführung des Anwenderprogramms, die Eingabe/ -Ausgabeverwaltung, die Speicherverwaltung und ähnliche Funktionen festgelegt sind. Das Steuerwerk koordiniert den gesamten Programmablauf innerhalb des AG. Das Steuerprogramm kann zyklisch, alarmgesteuert oder zeitgesteuert abgearbeitet werden. Typisch für jede SPS ist die zyklische Arbeitsweise. Zu Beginn eines Zyklus werden die Signalzustände an allen Prozesseingängen abgefragt und im Prozessabbild der Eingänge abgelegt. Während der Programmabarbeitung werden die Anweisungen des Anwenderprogramms nacheinander aus dem Programmspeicher abgerufen und ausgeführt. Dabei werden die Signalzustände der Eingänge, die im Prozessabbild abgelegt sind, unter Berücksichtigung der augenblicklichen Zustände der internen Zeitglieder, Zähler und Merker entsprechend den Anweisungen des Programms verknüpft und Datenberechnungen durchgeführt. Die Ergebnisse - die jeweiligen Ausgangsbelegungen - werden zunächst im Prozessabbild der 3

4 Ausgänge abgelegt und erst zum Ende des gesamten Zyklus an die physikalischen Ausgänge übertragen. Danach beginnt der Zyklus mit der Abfrage der aktuellen Daten von den Eingabebaugruppen von vorn. Die Zeit zwischen zwei Ausgaben des Prozessabbildes der Ausgänge wird Zykluszeit genannt. Die Reaktionszeit der Steuerung auf eine Eingangssignaländerung kann im ungünstigsten Fall die doppelte Zykluszeit betragen. Die Zykluszeit hängt von der Länge des Programmes und von der Leistungsfähigkeit des 10 Prozessors ab. Die CPU S7-400 benötigt für die Abarbeitung von 2 Binäroperationen lediglich 0,1 ms, so dass nach außen hin der Eindruck einer parallelen Arbeitsweise entsteht Die Programmiersoftware Zur Vorbereitung: Skript Grundlagen der Mess- und Automatisierungstechnik: Abschnitt Mit dem Programmiergerät können die STEP 7 - Anwenderprogramme erstellt, getestet, korrigiert, dokumentiert und archiviert werden. Das dafür notwendige Entwicklungssystem (im Versuch die STEP 7 - Software) läuft auf einem Standard-PC. Einstiegsoberfläche für die Konfigurierung und Programmierung ist der SIMATIC-Manager, mit dem in zwei Betriebsarten gearbeitet werden kann: Im off-line-betrieb können ohne eine Verbindung zum AG Programme erstellt werden. Im on-line-betrieb können die erstellten Programme in den Lade-Speicher des AG übertragen und im laufenden Betrieb der Steuerung getestet und korrigiert werden. Die gesamte Programm- und Datenhaltung einer Automatisierungslösung erfolgt in einem Projekt. Es umfasst im wesentlichen alle Daten zur Konfiguration der eingesetzten Hardware sowie die STEP 7-Anwendersoftware mit den Bestandteilen (Objekten) Quellen - Programme in Textform, die mit einem Texteditor erstellt werden und anschließend noch übersetzt werden müssen, Bausteine - ablauffähige, durch ihre Funktion abgegrenzte Teile des Programms, Symboltabelle - enthält eine Zuweisung von symbolischen Namen z.b. für die Eingänge, Ausgänge, Merker oder Bausteine. Die STEP 7 - Programme können wahlweise in den nach IEC genormten Sprachen Kontaktplan (KOP) [Ladder Diagramm - LD] Funktionsplan (FUP) [Function Block Diagramm - FBD] oder als Anweisungsliste (AWL) [Instruction List - IL] erstellt werden. Kontakte, logische Verknüpfungsglieder, Speicher und komplexe Funktionen wie Zeitglieder, Zähler u.a. können dabei im jeweiligen Editor per Mausklick angewählt werden und erscheinen dann als Graphik am Bildschirm. Neben diesem STEP 7-Basispaket sind Optionspakete für die Programmerstellung in S7-SCL (Structured Control Language) [Structured Text - ST] S7-Graph (Ablaufgraph) [Sequential Function Chart - SFC] S7-HiGraph (Zustandsgraph) verfügbar. 4

5 1.4. Die STEP 7 - Programmiersprachen Zur Vorbereitung: Skript Grundlagen der Mess- und Automatisierungstechnik: Abschnitt (S. 17 ff) Die Steuerprogramme können in STEP 7 auf unterschiedliche Weise dargestellt werden. Die graphischen Eingabefachsprachen Funktionsplan (FUP) und Kontaktplan (KOP) erlauben dem Steuerungstechniker, die Steuerungsaufgabe in der ihm gewohnten Weise - mit Logiksymbolen bzw. als Stromlaufplan zu beschreiben. Die Anweisungsliste (AWL) kommt der Maschinensprache am nächsten und ist damit die universelle Darstellungsart für eine speicher- und laufzeitoptimale Programmierung. Hierbei wird die Steuerungsaufgabe durch einzelne Steuerungsanweisungen beschrieben. Eine Steueranweisung ist die kleinste selbstständige Einheit eines Steuerprogramms, sie ist nach IEC wie folgt aufgebaut: Operationsteil Operandenteil (Kennzeichen Parameter) Beispiel: U E 0.1 Der Operationsteil beschreibt die auszuführende Operation. Man unterscheidet zwischen binären, digitalen und organisatorischen Operationen. Der Operandenteil beschreibt die Variable, mit der die o.g. Operation ausgeführt werden soll. Dabei gibt das Operandenkennzeichen die Art des Operanden an, z.b.: E für Eingänge T für Zeitglieder M für Merker A für Ausgänge Z für Zähler B für Bausteine Der Parameter besteht bei binären Eingängen, Ausgängen und Merkern jeweils aus einer Byteadresse und einer Bitadresse, zu jeder Byteadresse gehören acht binäre Operanden mit den Bitadressen Byte- und Bitadresse werden durch einen Punkt getrennt. Steuerprogramme, die als FUP oder KOP geschrieben sind, lassen sich in eine Anweisungsliste übersetzen. Das Programmiergerät setzt intern FUP, KOP und AWL in den Maschinenkode MC 7 um. Die Darstellung als AWL ist immer möglich. Das Steuerprogramm enthält die Gesamtheit aller Anweisungen und Vereinbarungen für die gewünschte Signalverarbeitung. Bei nicht zu umfangreichen Steuerungsaufgaben können die einzelnen Anweisungen der Reihe nach im Speicher abgelegt werden. Komplexere Programme werden übersichtlicher gestaltet, indem sie in einzelne, überschaubare und nach verschiedenen Funktionen geordnete Bausteine strukturiert werden. Organisationsbausteine OB n dienen zur Steuerung des Programmablaufs. OB s sind, abhängig vom auslösenden Ereignis, in Klassen eingeteilt (z.b. zeitgesteuert, alarmgesteuert), die verschiedene Prioritäten aufweisen. Die Reihenfolge der zyklisch zu bearbeitenden Bausteine wird im OB 1 festgelegt. Das eigentliche Anwenderprogramm wird in Funktionen und Funktionsbausteinen niedergelegt. Diese werden wiederum in funktionelle Abschnitte, sogenannte Netzwerke (NW), zerlegt. 5

6 Funktionsbausteine FB n können bei jedem Aufruf (der sog. Instanz) mit unterschiedlichen Daten versorgt werden. Diese Daten sowie interne Zwischenwerte und Ergebnisse werden in einem zugeordneten Instanz-Datenbaustein hinterlegt. Dieser wird vom System automatisch verwaltet und beim Übersetzen des FB automatisch generiert. Funktionen FC n enthalten Programmroutinen für häufig verwendete Funktionen. Jede Funktion hat einen oder mehrere Ausgangsparameter. Diese müssen unmittelbar nach dem Aufruf der Funktion weiterverarbeitet werden. In Datenbausteinen DB n werden die vom Programm global benötigten Daten, z.b. vorgegebene Sollwerte, Rezepturen usw. abgelegt, sie können von beliebigen Bausteinen genutzt werden, dabei sind neben den elementaren auch strukturierte Datentypen möglich. Durch die Darstellung einiger Grundfunktionen sollen im folgenden die STEP 7 - Sprachelemente erläutert werden. Negation: SCL: UND-Verknüpfung: SCL: ODER-Verknüpfung: SCL: 6

7 EXCLUSIV-ODER: ODER-vor-UND-Verknüpfung: Die Operation U ( wird immer dann verwendet, wenn die ODER-Verknüpfung vor der UND-Verknüpfung bearbeitet werden soll. Sollen Klammerausdrücke negiert werden, kann das sowohl durch Negation der öffnenden Klammer UN ( als auch durch die Operation NOT vor der schließenden Klammer erreicht werden: 7

8 Für beide Schaltungsvarianten kann grundsätzlich auch die RS-Speicherfunktion verwendet werden. Sind beide Eingänge R und S gleichzeitig mit Signal "1" belegt, so hat immer die zuletzt programmierte Anweisung den Vorrang. 8

9 Zeitoperationen werden unter Nutzung der internen Zeitglieder realisiert. Vorher muss dabei der Zeitwert festgelegt werden; ein konstanter Zeitwert wird geladen durch: Beispiel: Durch S5T#10S wird ein Zeitwert von 10 s vorgegeben. Außer mit dem konstanten Zeitwert S5T# können Zeitglieder auch mit einem Datenwort DBW, Eingangswort EW, Merkerwort MW oder einem Ausgangswort AW geladen werden. Diese Daten müssen dann im BCD-Kode vorliegen. An den Ausgängen DUAL und DEZ kann der Zeitwert, der noch ablaufen muss, als DUAL-Wert bzw. als DEZimal-Wert abgenommen werden. Für die Steuerungspraxis sind die folgenden Zeitoperationen von Bedeutung: Starten einer Zeit als Impuls: SI Starten einer Zeit als verlängerter Impuls: SV 9

10 Starten einer Zeit als Einschaltverzögerung: SE Starten einer Zeit als speichernde Einschaltverzögerung: SS Starten einer Zeit als Ausschaltverzögerung: SA 10

11 Zähler können zur Erfassung von Ereignissen bzw. Impulsen genutzt werden. Die Eingänge eines Zählers bedeuten: ZR: bei positivem Flankenwechsel (0 1) wird der Zählerstand um 1 verringert, bis zur Untergrenze 0. ZV: bei positivem Flankenwechsel (0 1) wird der Zählerstand um 1 erhöht, bis zu einer oberen Zählgrenze 999. S: bei einem Signalwechsel (0 1) am Setzeingang S wird der Zähler auf den an ZW anliegenden Wert voreingestellt. ZW: Der Zählwert ZW kann entweder als konstanter Zählwert C#xxx, Zahl ( ), oder als Datenwort DBW, Eingangswort EW, Ausgangswort AW oder als Merkerwort MW im BCD-Kode geladen werden. R: Liegt Signal "1" am Rücksetzeingang R an, so wird der Zähler auf den Wert 0 rückgesetzt. Der Rücksetzeingang wirkt statisch, d.h. solange die Rücksetzbedingung erfüllt ist (=1), kann weder voreingestellt noch gezählt werden. Der Zählerbaustein hat folgende Ausgänge: DUAL: DEZ: Der im Zähler stehende Digitalwert kann am Ausgang DUAL als Dualzahl, und an als Dezimalzahl abgefragt werden und kann dann z.b. durch Vergleichsoperationen ausgewertet werden. Q: Der Ausgang Q führt Signal "1", solange der Zählerstand größer als 0 ist, und hat Signal "0" beim Zählerstand 0. Programmbeispiel: Ein Zähler wird beim Einschalten des Einganges E 1.1 auf den Wert 20 voreingestellt; danach führt der Ausgang A 2.2 Signal "1". Bei jedem positiven Signalwechsel am Eingang E 1.0 verringert sich der Zählerstand um den Wert 1. Nach 20 Impulsen wird der Ausgang A 2.2 wieder auf den Wert 0 gesetzt. Der Rücksetzeingang R kann grundsätzlich auch unbeschaltet bleiben. Bleiben Eingänge oder Ausgänge unbeschaltet, so müssen sie in der AWL jeweils mit NOP 0 versehen werden, damit das Programm in KOP oder FUP rückübersetzt werden kann. 11

12 1.5. Entwicklung von Steuerprogrammen Zur Vorbereitung: Skript Grundlagen der Mess- und Automatisierungstechnik: Abschnitt 2.3 und 2.4. Man unterscheidet generell zwischen Verknüpfungs- und Ablaufsteuerungen. Bei einer Verknüpfungssteuerung werden den Signalzuständen der Eingangssignale bestimmte Signalzustände der Ausgangssignale im Sinne BOOLE`scher Verknüpfungen zugeordnet. Während eines Steuerungszyklus werden sämtliche Verknüpfungen ausgewertet und ausgeführt. Zur Beschreibung von Verknüpfungssteuerungen ohne Speicherverhalten ist i.a. die Funktionstabelle oder Schaltbelegungstabelle geeignet, in der die Signalzustände der Ausgänge in Abhängigkeit von den Zuständen der Eingangsvariablen festgelegt sind. Aus dieser Tabelle können die Schaltfunktionen und damit die STEP-7-Programme unmittelbar entnommen werden. Gegebenenfalls sind KARNAUGH-Pläne geeignet, um diese Schaltfunktion noch zu minimieren. Beispiel für eine Verknüpfungssteuerung In einem Reaktionsgefäß soll ein chemischer Prozess bei einer bestimmten Temperatur und unter einem bestimmten Druck ablaufen. Zur Messung von Temperatur und Druck sind im Reaktionsgefäß jeweils zwei Temperaturfühler und zwei binäre Druckgeber angebracht. Temperatur und Druck werden mittels einer Heizung H, eines Kühlwasserzuflusses K und eines Sicherheitsventils S beeinflusst. Diese Stellglieder sollen unter folgenden Bedingungen angesteuert werden: Sicherheitsventil SV: wenn der Druck p zu groß ist und die Temperatur è zu groß oder normal ist, Kühlwasser K: wenn die Temperatur è zu groß und der Druck p zu groß oder normal ist, Heizung H: wenn die Temperatur è zu klein und der Druck p nicht zu groß ist oder der Druck p zu klein und die Temperatur è nicht zu groß ist; Außerdem ein Umwälzer U: wenn Kühlwasser K oder Heizung H eingeschaltet sind; Beim Ablauf der Reaktion sind drei Betriebszustände anzuzeigen, nämlich: Anfahrbetrieb AF: wenn der Druck p zu klein ist, Normalbetrieb N: wenn der Druck p normal ist, Alarm AL: wenn der Druck p zu groß ist; Die binären Sensoren zur Erfassung von Druck und Temperatur liefern Sensor S0: Signal = 1, wenn der Druck p zu groß ist, Sensor S1: Signal = 1, wenn der Druck p zu klein ist, Sensor S2: Signal = 1, wenn die Temperatur è zu groß ist, Sensor S3: Signal = 1, wenn die Temperatur è zu klein ist, Für den Entwurf des Steuerungsprogrammes werden zunächst alle möglichen Eingangssignalzustände in einer Zustandstabelle aufgelistet und die aufgabengemäße Ansteuerung der Ausgänge darin festgelegt. Für jeden dieser Ausgänge wird nun die geforderte Schaltfunktion entwickelt und als Netzwerk in einer STEP 7-Funktion in FUP, KOP oder als AWL dargestellt. Eingangszustände, die zwar von der Kombinatorik her auftreten können, aber aufgrund ihrer physikalischen Deutung gar nicht möglich sind, z. B. S0 & S1 oder S2 & S3, werden als sogn. Don`t care - Zustände () behandelt und beim Entwurf der Schaltfunktion berücksichtigt, wenn diese dadurch gekürzt werden kann. 12

13 Eingänge Ausgänge S0 S1 S2 S3 SV K H U AF N AL Die Entwicklung der Schaltfunktion für das Sicherheitsventil anhand des KARNAUGH-Planes sei hier als Beispiel dargestellt, vgl. Bild 2,a. Die Schaltfunktion kann unmittelbar in das STEP7- Programm in einer der gewünschten Programmiersprachen eingegeben werden, vgl. Bild 2,b. Bild 2,a: Schaltfunktion für das Sicherheitsventil Bild 2,b: Netzwerk zur Realisierung der Schaltfunktion für das Sicherheitsventil 13

14 Bei den meisten Steuerungsproblemen in der Verarbeitungs- und Verfahrenstechnik ist jedoch eine technologisch oder zeitlich bedingte Folge von Prozess-Schritten einzuhalten. Solche Steuerungen werden als Ablaufsteuerung behandelt. Typisch für eine Ablaufsteuerung ist der zwangsläufig schrittweise Ablauf von einzelnen, (meist technologisch bedingten) Schritten, wobei immer jeweils nur ein Schritt aktiv ist und das Weiterschalten von einem Schritt zum nächsten von sogenannten Weiterschaltbedingungen (oder Transitionen) abhängt. Man unterscheidet zwischen zeitgeführten Ablaufsteuerungen, bei denen die Weiterschaltbedingungen nur von der Zeit abhängen, sie werden durch Zeitglieder realisiert, und prozessgeführten Ablaufsteuerungen, bei denen die Weiterschaltbedingungen bestimmte Antwortsignale aus der gesteuerten Anlage sind. Kernstück einer Ablaufsteuerung ist die Ablaufkette. In ihr wird das Programm für den schrittweisen Funktionsablauf der Steuerung realisiert, wobei die einzelnen Schritte abhängig von den Weiterschaltbedingungen in einer festgelegten Reihenfolge aktiviert werden. Bild 3a zeigt die Darstellung einer Ablaufkette nach DIN IEC , in Bild 3b ist ein Einzelschritt dieser Kette als Funktionsplan dargestellt. Bild 3: Darstellung einer Ablaufsteuerung a) Ablaufkette b) Einzelschritt n der Ablaufkette 14

15 Für diese Ablaufkette gilt: Jedem Schritt wird ein RS-Speicherglied, das den jeweiligen Schrittmerker speichert, zugeordnet. Zu Beginn der Programmbearbeitung wird am AG ein Richtimpuls erzeugt, durch den der Grundschritt (Schritt 0) gesetzt wird und alle anderen Schrittmerker rückgesetzt werden. Die folgenden Schritte der Ablaufkette werden nacheinander aktiviert, und zwar jeweils wenn der vorherige Schritt aktiv ist, d.h. den Signalwert 1" führt, u n d die Weiterschaltbedingung erfüllt ist, vgl. Bild 3b. Mit der Aktivierung dieses Schrittes wird das RS-Flipflop gesetzt und der Merker des vorherigen Schrittes rückgesetzt, so dass immer jeweils nur ein Schrittmerker den Signalwert 1" führt. Wie sich der Signalwert 1" dann auf den gesteuerten Prozess auswirkt, wird in der Befehlsausgabe festgelegt. Dabei werden die jeweiligen Ausgänge über eine ODER-Verknüpfung der entsprechenden Schrittmerker aufgabengemäß angesteuert. Beispiel für eine Ablaufsteuerung Als Beispiel für eine Ablaufsteuerung soll die Steuerung für die in Bild 4 dargestellte Prägemaschine vorgestellt werden. Dabei soll folgender Funktionsablauf realisiert werden: Ein Schieber schiebt ein Werkstück aus einem Magazin in eine Prägeform. Sobald die Prägeform belegt ist, stößt der Prägestempel abwärts und bewegt sich nach einer Wartezeit von 3 s wieder nach oben. Nach dem Prägevorgang stößt der Auswerfer das fertige Teil aus der Form, so dass es anschließend von dem Luftstrom aus einer Luftdüse in den Auffangbehälter geblasen werden kann. Eine Lichtschranke spricht an, wenn das Werkstück in den Auffangbehälter fällt. Anschließend kann der nächste Prägevorgang beginnen. Alle drei Zylinder sind mit Rückholfedern versehen, so dass Schieber, Stempel und Auswerfer von selbst in ihre Grundstellung zurückkehren, sobald die zugehörigen Pneumatikventile Y1, Y2 bzw. Y3 wieder geschlossen sind. Für diese Aufgabenstellung wird die folgende Zuordnung festgelegt: Eingänge: E Starttaste S0 E Endlage Zylinder 1 erreicht S1 E Prägeform belegt S2 E vordere Endlage Zylinder 2 erreicht S3 E Lichtschranke unterbrochen L1 E Rücksetzen der Ablaufkette Ausgänge: A Ventil für Zylinder 1 A Ventil für Zylinder 2 A Ventil für Zylinder 3 A Luftdüse 15

16 Merker: M Grundstellung der Anlage, d.h. von der Anlage her darf gestartet werden. M Schritt 0: Grundstellung der Ablaufkette M Schritt 1: Teil aus dem Magazin schieben M Schritt 2: Schieber zurück M Schritt 3: Prägestempel absenken M Schritt 4: Wartezeit für den Stempel M Schritt 5: Prägestempel wieder anheben M Schritt 6: Auswerfer und Luftdüse ein Bild 4: Prägemaschine Aus der verbalen Funktionsbeschreibung kann die folgende Ablaufkette unmittelbar abgeleitet werden: 16

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21 1.6. Literatur! Wellenreuther, G.; Zastrow, D.: Automatisieren mit SPS - Theorie und Praxis. Braunschweig, Wiesbaden: Vieweg, 2008.! Berger, H.: Automatisieren mit STEP 7 in AWL und SCL. Erlangen, München: Publicis MCD Verlag, 2009.! Berger, H.: Automatisieren mit STEP 7 in KOP und FUP. Erlangen, München: Publicis MCD Verlag, 2008.! Gießler, W.: Simatic S7 - SPS-Einsatzprojektierung und -Programmierung. Berlin, Offenbach: VDE Verlag, 2005.! Habermann, M. ;Weiß, T.: STEP 7- Crashkurs. Einführung und Vertiefung in die STEP7-Programmiersprache. Berlin, Offenbach: VDE-Verlag, Die Speicherprogrammierbare Steuerung SIMATIC S Versuchsaufbau Im vorliegenden Versuch sollen einfache STEP 7 - Steuerprogramme entwickelt, eingegeben und getestet werden. Dazu ist die speicherprogrammierbare Steuerung S7-400 mit einem Simulationsfeld gekoppelt. An diesem Simulationsfeld können die binären Eingänge angezeigt, durch Schalter oder Taster simuliert oder über Steckbuchsen beschaltet werden. Die binären Ausgänge werden angezeigt und können ebenfalls an Buchsen abgenommen werden. Außerdem stehen Technologiesimulatoren für das oben beschriebene Reaktionsgefäß, die Prägemaschine sowie eine Behälterfüllstandssteuerung zur Verfügung Versuchsvorbereitung a) Nennen Sie die Vorteile und Nachteile von Speicherprogrammierbaren Steuerungen gegenüber Verbindungsprogrammierten Steuerungen! b) Erläutern Sie Aufbau und Arbeitsweise einer SPS! c) Was versteht man unter der Zykluszeit einer SPS? d) Welche Arten von Halbleiterspeichern kennen Sie, welche Eigenschaften haben diese und wie werden sie in einer SPS eingesetzt? e) Klimatisierung eines Raumes In einem klimatisierten Raum wird die Temperatur durch drei Kontaktthermometer (x, i i = 1,2,3) überwacht. 21

22 Ist die Solltemperatur an zwei oder drei Thermometern nicht erreicht (x i = 0), wird die Heizung eingeschaltet. Ist die Solltemperatur an allen drei Thermometern überschritten (x i = 1), wird die Kühlung eingeschaltet. Ist an zwei Thermometern die Solltemperatur erreicht (x i = 1), soll weder geheizt noch gekühlt werden. Stellen Sie die Schaltbelegungstabellen und die KARNAUGH-Pläne für Heizung und Kühlung auf und entwickeln Sie daraus die vereinfachten Schaltfunktionen. Entwerfen Sie die entsprechenden Steuerprogramme in STEP 7 für Heizung und Kühlung. f) Steuerung eines Reaktionsgefäßes Vervollständigen Sie die Zustandstabelle auf der Seite 13 für die Steuerung des Reaktionsgefäßes. Ermitteln Sie die Schaltfunktionen für die Ansteuerung von Kühlwasser K, Heizung H, Umwälzer U sowie die Betriebsanzeigen für Anfahr- AF, Normal- N und Alarmbetrieb AL anhand der KARNAUGH-Pläne. Entwerfen Sie die entsprechenden Steuerprogramme in STEP 7 für die einzelnen Ausgangsgrößen. g) Steuerung einer Prägemaschine Beschreiben Sie die Wirkungsweise einer Ablaufkette! Machen Sie sich das vorgestellte Programmbeispiel zur Steuerung der Prägemaschine klar! Ergänzen Sie das Programm derart, dass die Nummer des jeweils aktuellen Schrittes an den Ausgängen A 3.0 bis A 3.2 im Dualkode angezeigt wird. h) Behälterfüllstandssteuerung Der Füllstand in einem Reaktionsgefäß kann durch ein Zulaufventil und ein Ablaufventil beeinflusst werden. Sensoren melden jeweils den oberen und den unteren Grenzwert für den Füllstand Q max bzw. Q min. Der Füllvorgang selbst wird durch eine interne Elektronik simuliert und durch eine Diodenkette angezeigt. Außerdem kann ein Rührwerk in Betrieb genommen werden. In einem Bedienfeld sind ein Automatik / Hand - Umschalter und zwei Taster für die Betätigung der Ventile im Handbetrieb vorhanden. Der Automatikbetrieb kann durch LED angezeigt werden. Entwickeln Sie eine Ablaufkette und setzen Sie diese in ein STEP 7-Programm um, durch das der folgende Funktionsablauf realisiert wird: Beim Umschalten auf den Automatikbetrieb soll der Behälter bis Q max gefüllt werden; Ist Q max erreicht, so soll 6 s lang das Rührwerk betrieben werden; danach soll der Behälter unter ständigem Rühren wieder geleert werden; Nachdem der untere Füllstand Q min unterschritten ist, soll nach 8 s der gleiche Vorgang wieder von neuem beginnen. In jedem Schritt soll wieder auf den Handbetrieb umgeschaltet werden können, dann sollen Einlass- und Auslassventil über die Handtaster betätigt werden können, wobei jeweils immer nur ein Ventil geöffnet sein darf. Befindet sich die Anlage im Automatikbetrieb, soll dies angezeigt werden. 22