Контроллеры для распределенных систем управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Развитие автоматизации во всех сферах людской деятельности идет по пути постепенного увеличения комплекса машин и агрегатов, связанных одной или несколькими взаимозависимыми системами управления. В основе любой системы управления лежат информационные процессы, связанные со сбором информации, ее первичной обработкой, передачей на разные уровни системы, хранением, распределением и отображением, а также выполнение команд управления. Изучение автоматизированных систем управления, тонкостей их работы, в настоящее время играет важную роль в освоении автоматизации производства.

Целью данной дипломной работы является рассмотрение и анализ ПО для обеспечения автоматизации производственных процессов фирмы Siemens, изучение методики проектирования и программирования систем автоматизации технологических процессов на базе SIMATIС S7.

Для достижения данной цели перед работой поставлены следующие задачи:

1. Рассмотрение существующих систем автоматизации, включая программируемые контроллеры и ПО для программирования контроллеров;

2. Изучение методики работы с программными пакетами Step7 и WinCC;

3. Задачей практической части работы является разработка программы автоматизации в пакете STEP 7 для контроллера SIMATIС S7-314.

Актуальность работы: В настоящее время наблюдается рост автоматизации самых разнообразных технологических процессов с необходимостью осуществлять быстрое и точное наблюдение и обслуживание этих технологических процессов. Немецкая фирма Siemens очень широко известна в Европе как фирма, предлагающая комплексные решения по автоматизации предприятий.

Для автоматизации Siemens разработала широкий перечень микроконтроллеров и периферии к ним (датчики, исполнительные устройства, двигатели и т.п.). Для связывания устройств в сеть фирмой Siemens была предложена шинная архитектура и несколько протоколов управления сетью и работой устройств. Для программирования микроконтроллеров были разработаны несколько языков программирования:

* низкого уровня - STL (Statement List);

* языки функциональных блоков и многоступенчатой логики (LAD - Ladder Logic и FBD - Function Block Diagram);

* язык для визуализации технологических процессов - WinCC. Программы на нем пишутся не для самих микроконтроллеров, а для компьютера оператора. Эти программы выполняются на обычном компьютере оснащенном соответствующим программным обеспечением и интерфейсным модулем (PCI или ISA карта).

Промышленная сеть, включающая в себя устройства Siemens, может быть построена на основе MPI (Multy Point Interface) сети или Profibus (Professional FieldBus) сети. Первый тип сети используется в простейших случаях, когда количество активных станций в сети < 32 и скорость передачи не выше 187,5 Кбит/с. Второй тип сети более сложный, он позволяет иметь в одном сегменте сети до 127 станций и оговаривает скорость передачи вплоть до 12 Мбит/с.

1. Обзор систем автоматизации

1.1 Краткий обзор и анализ существующих систем автоматизации

1.1.1 Обзор и анализ многофункциональных контроллеров

Контроллеры серии КОНТРАСТ

ЗАО «КОНТРАСТ» поставляет многофункциональные высокопроизводительные контроллеры, ориентированные на работу в составе сложных систем автоматизации различной архитектуры в качестве устройств нижнего уровня или в качестве автономных устройств. В настоящее время в состав серии КОНТРАСТ входят контроллеры следующих типов - РК-131/300, КР-300, КР-300ИП и КР-300ИШ. Эти контроллеры предназначены для решения следующих задач:

-Сбор информации с датчиков и ее первичная обработка

-Выдача управляющих воздействий на исполнительные органы.

-Контроль технологических параметров по граничным значениям и аварийная защита технологического оборудования.

-Регулирование прямых и косвенных параметров по различным законам.

-Логическое, программно-логическое управление технологическими агрегатами, автоматический пуск и останов технологического оборудования.

-Математическая обработка информации по различным алгоритмам.

-Регистрация и архивация технологических параметров.

-Обмен данными с другими контроллерами в рамках контроллерной управляющей сети реального времени.

-Самоконтроль и диагностика всех устройств контроллера в непрерывном и периодическом режимах, вывод информации о техническом состоянии контроллера обслуживающему персоналу.

Контроллеры являются программируемыми изделиями. Программирование контроллера осуществляется при помощи технологических языков ѕ языка Функциональных Алгоритмических Блоков ФАБЛ и процедурного языка высокого уровня ПРОцедурный ТЕКСТ ПРОТЕКСТ. Процесс программирования на языке Фабл сводится к объединению в систему заданной конфигурации нужных алгоритмов, зашитых в постоянной памяти контроллера, на языке Протекст ѕ к записи условий, содержащих алгебраические или логические выражения.

Контроллеры КР-300 могут объединяться в локальную управляющую сеть МАГИСТР с конфигурацией «общая шина» и настраиваемой пользователем скоростью передачи данных.

Контроллер содержит четыре функциональных подсистемы, поддерживаемых технологическими языками программирования и режимами работы пульта контроллера ѕ регулирующую, логическую, группового контроля и управления и программируемую.

Технологический моноблочный контроллер TKM52

PC-совместимый контроллер ТКМ52 производства АО «ТЕКОН», г. Москва, предназначен для сбора, обработки информации, реализации функций контроля, программно-логического управления, регулирования, противоаварийных защит и блокировок систем учета тепла и энергоресурсов в составе распределенных иерархических или локальных автономных АСУ ТП на основе сети Ethernet или RS-485 (Modbus).

Контроллер может использоваться:

* как автономное устройство управления небольшими объектами;

* как удаленный терминал связи с объектом в составе распределенных систем управления;

* одновременно как локальное устройство и как удаленный терминал связи с объектом в составе сложных распределенных систем управления.

В контроллере, в зависимости от вариантов исполнения, может устанавливаться одна из операционных систем: DOS или системное программное обеспечение (СПО) на базе OS Linux. В первом случае программирование можно осуществлять посредством универсальных средств программирования или с помощью программы Trace Mode.

При использовании СПО, которое содержит многозадачную операционную систему Linux, сервер ввода-вывода и пользовательские библиотеки, программирование осуществляется с помощью системы программирования TeconCX на персональном компьютере. Загрузка подготовленных прикладных программ в память контроллера осуществляется либо по последовательному каналу, либо по сети Ethernet, используя протокол TCP/IP. Для программирования контроллера с установленным СПО может также использоваться пакет ISaGRAF.

Состав и характеристики контроллера:

Контроллер ТКМ52 является проектнокомпонуемым изделием. Контроллер состоит из базовой части, блока клавиатуры-индикации и модулей ввода-вывода (от 1 до 4-х модулей). Базовая часть контроллера состоит из корпуса, блока питания, процессорного модуля PCM4832L с модулем TCbus52 и блоком клавиатуры и индикации V03.

Многофункциональный контроллер МФК

PC-совместимый программируемый контроллер МФК (рисунок 1.3) предназначен для реализации функций контроля, программно-логического управления, многоконтурного регулирования, выполнения сложных алгоритмов управления, требующих большой вычислительной и информационной мощности. Контроллер интегрируется в промышленные локальные сети уровней LAN и Fieldbus.

Конструкция контроллера на базе конструктива «Евромеханика-19» (МЭК-297) позволяет встраивать его в стандартные монтажные шкафы или другое монтажное оборудование, которое защищает от воздействий внешней среды, обеспечивает подвод сигнальных проводов и ограничивает доступ к контроллеру.

Состав и характеристики контроллера:

Контроллер МФК является проектно-компонуемым изделием. Контроллер состоит из базовой части, одного процессорного и коммуникационных модулей, модулей ввода-вывода, блока клавиатуры и индикации.

Базовая часть состоит из корпуса, блока питания и объединительной платы. Внутрь корпуса устанавливается процессорный модуль и до 16 модулей ввода-вывода. Дополнительно в контроллер можно установить до двух модулей формата MICROPC и PC/104.

Контроллер имеет магистрально-модульную архитектуру. При этом в контроллере используются две аппаратно соединенные внутренние шины: 8-разрядная шина ISA и шина ввода-вывода. Обе шины и схема их сопряжения реализованы на объединительной плате контроллера.

1.1.2 Обзор и анализ ПО для программирования контроллеров.

Для программирования ПЛК универсального назначения применяются ПК. Процесс разработки и отладки программного обеспечения происходит при помощи специализированных комплексов программ, обеспечивающих комфортную среду для работы программиста.

Программа CoDeSys

CoDeSys - один из мощнейших инструментов программирования контроллеров, доступных для операционной системы Windows. Он полноценно поддерживает все пять стандартных языков программирования и имеет дополнительно редактор CFC-диаграмм.

Основные характеристики пакета:

1. Быстрое внедрение. Тестовая адаптация для любой стандартной процессорной платформы занимает не более двух дней;

2. Эффективные средства ввода. Функции автоматического объявления и форматирования, адаптивный;

3. Высокая производительность. Встроенный компилятор непосредственно генерирует быстрый машинный код;

4. Компактность проекта. В отличие от большинства конкурирующих пакетов, весь проект находится в одном файле;

5. Более ста пятидесяти адаптаций на конкретные аппаратные платформы.

6. Встроенный эмулятор контроллера позволяет проводить отладку проекта без аппаратных средств. Причем эмулируется не некий абстрактный контроллер, а конкретный ПЛК с учетом аппаратной платформы. При подключении реального контроллера (режим online) отладчик работает аналогичным образом.

7. Встроенные элементы визуализации дают возможность создать модель объекта управления и проводить отладку проекта без изготовления средств имитации. Существует «операционная» версия CoDeSys. Это компактное приложение, выполняющее только визуализацию, без средства разработки. Во многих простых случаях нет необходимости приобретать отдельно SCADA-систему. Серверы данных (DDE и OPC) также входят в стандартный пакет поставки.

ISaGRAF

Программа может быть описана при помощи одного из стандартных языков (SFC, FBD, LD, ST, IL) или с помощью языка Потоковых Диаграмм (FC).

В ISaGRAF представлены все пять языков стандарта IEC 1131-3. Центральным языком ISaGRAF является SFC, задающий структуру алгоритма в виде шагов и переходов. Другие языки в основном служат для описания действий внутри шагов и условных операций при переходах, т.е. не ориентированы на самостоятельное использование. Одна и та же программа не может смешивать несколько языков. Язык программирования программы выбирается в момент создания программы и не может быть изменен впоследствии. Исключением являются языки FBD и LD, которые можно комбинировать внутри одной программы.

Система IsaGRAF допускает описание вертикальной структуры программы SFC. SFC-программы образуют иерархическое дерево, используя связь «родитель-наследник».

Программа Fanuc VersaPro.

Разработана фирмой GE (USA) и FANUC (Japan).Среда программирования VersaPro представляет собой современное средство написания прикладных программ для контроллеров VersaMax и 90-30. VersaPro функционирует в среде Windows 95/98/NT. От используемого для ПЛК 90-30 и 90-70 . VersaPro отличается графическим многооконным пользовательским интерфейсом, возможностью написания программ как в представлении релейно-контактной логики, так и в тектовом виде.

Достоинства: Легкая инсталяция, работа со всеми типами PLC серии FANUC, богатые возможности программирования как ladder логикой так и в текстовом виде, хорошая наглядность происходящих в программе процессов, нормальная техническая поддержка со стороны производителя, 4х суточная работа без регистрации и без ограничений в программировании. Для работы подходит любой Notebook имеющий СОМ порт, относительно небольшая цена.Программу легко освоит любой человек с техническим образованием умеющий создавать электрические схемы.

Недостатки: Необходимость вручную устанавливать конфигурацию Hardware.

Программа MEDOC.

DOS программа для контроллеров MITSUBISHI.

Достоинства: Очень простая программа, не требовательная к системным ресурсам. Легко осваивается, работает на любых типах РС имющих СОМ порт. Позволяет быстро создавать несложные программы для управления тех.процессом. возможность программирования как ladder логикой так и в текстовом виде.

Недостатки: Не очень удобная навигация по программе.

Программа OpenPCS

Пакет не привязан к определенной аппаратной платформе и удовлетворяет всем современным требованиям быстрой разработки программного обеспечения. Для привязки к конкретному ПЛК требуется адаптация, касающаяся низкоуровневых ресурсов - распределение памяти, интерфейс связи и драйверы ввода-вывода.

Пакет обладает следующими особенностями:

- возможность использования языка IL в качестве промежуточного кода. ;

- возможность использования браузера Internet Explorer в качестве пользовательского интерфейса для OpenPCS;

- для достижения высокого быстродействия в составе комплекса присутствуют компиляторы машинного кода для ряда распространенных процессоров;

- поддержка всех языков стандарта МЭК 61131-3, в ряде случаев определенным образом расширенных;

- встроенный полнофункциональный эмулятор контроллера SmartSim позволяет проводить отладку проекта без использования аппаратных средств;

- наличие реального программного PLC позволяет синхронизировать переменные из программы с ОРС-признаками, благодаря чему появляется возможность считывать значения с датчиков или записывать их на выходы устройств, соединенных с шиной.

Программы для PLC Simatic.

Большой комплекс программ включающий в себя софт на все случаи жизни. Работает со всеми PLC серии Simatic начиная с S5 и выше. Используются языки программирования STEP 5, STEP 7, STEP 7 MicroWin.

Достоинства: Очень богатый набор различных программ и утилит, хорошая наглядность происходящих в программе процессов, нормальная техническая поддержка со стороны производителя, богатые возможности программирования как ladder логикой так и в текстовом виде. Программа STEP 7 MicroWin довольно проста в освоении и удобна в работе.

Недостатки: Для работы крайне желательно иметь специальный программатор серии Field PG, языки программирования STEP 5, STEP 7 хоть и имеют общую основу но имеют довольно сильные отличия, программы довольно сложны в освоении и требуют специальной подготовки. При работе с некоторыми типами контроллеров используется шина MPI, что не дает возможность применять ноутбуки других производителей.

1.1.3 Рассмотрение существующих SCADA систем

SCADA-система - это система супервизорного управления и сбора информации (Supervisory Control And Data Acquisition). Это совокупность устройств управления и мониторинга, а также способ взаимодействия с технологическим объектом. На сегодняшний день под этим термином понимают набор программных и аппаратных средств, для реализации операторских рабочих мест.

При создании информационной системы объединяются в один функциональный узел большое количество локальных подсистем, которые зачастую имеют различные программные интерфейсы. Это значительно усложняет задачу согласования таких подсистем и уменьшает быстродействие системы в целом. Поэтому целесообразно подсоединение локальных функциональных узлов с одинаковой программной платформой. SCADA - система реализует этот подход, поэтому ее применение в настоящее время повсеместно и актуально. Также разрабатывается аппаратная часть непосредственно для программного пакета, что позволяет создать информационную систему более дешево и с минимальными затратами времени.

Любая SCADA - система должна той или иной мерой обеспечивать ряд функциональных возможностей. Перечислим основные возможности и средства, которые присущи всем системам и отличаются только техническими особенностями реализации:

- Автоматическая разработка, которая дает возможность создания - программного обеспечения без реального программирования;

- Средства сбора первичной информации от устройств нижнего уровня;

- Средства управления и регистрации сигналов о аварийных ситуациях;

- Средства хранения информации с возможностью ее последующей обработки;

- Средства обработки первичной информации;

- Средства визуализации процессов.

Перечисленные возможности таких систем в значительной степени определяют стоимость и термины создания программного обеспечения, а также сроки окупаемости.

На сегодняшнем рынке программного обеспечения представлено большое количество SCADA - систем. Наиболее популярные из них представлены в таблице.

Таблица 1.1 Наиболее популярные SCADA - системы

SCADA- системы	Фирма производитель	Страна
LabVIEW	National Instruments	США
WinCC	Siemens	Германия
Trace Mode	AdAstra	Россия
RSView	Rockwell Software Inc	США

Одним из факторов, который влияет на выбор подобной системы - это программно - аппаратная платформа, на которой реализована SCADA - система. Анализ перечисления таких платформ необходим, потому что от него зависит ответ на вопрос распространения SCADA - систем на существующие численные средства. Это означает, что прикладная программа, разработанная в одной операционной среде, может выполняться в любой другой операционной среде, которая поддерживает данный SCADA - пакет. Значительное большинство SCADA - систем реализованы на платформе Microsoft Windows.

Такая система должна иметь средства сетевой поддержки. Очевидно, что для эффективного функционирования в разной промышленной среде SCADA - система должна обеспечивать высокий уровень сетевого сервиса, то есть она должна поддерживать работу в стандартных сетях (Ethernet, ArcNet) и протоколах (TCP/IP, NETBIOS).

Для проектирования систем автоматизации немаловажны возможности графического интерфейса. В каждой такой системе есть графический объектно-ориентированный редактор с набором анимационных функций.

Одним из факторов определяющих выбор SCADA-системы есть техническая поддержка фирмы производителя. На сегодняшний день ведущие фирмы производители данных систем обеспечивают достаточно разнообразную поддержку своих пользователей. Она состоит в проведении регулярных учебных курсов, обеспечение сервисного обслуживания, организация “горячей” линии и помощь в решении проблем, связанных с индивидуальными требованиями заказчика системы, а также информационная поддержка с помощью глобальной сети Internet.

Самые популярные SCADA - системы владеют перечисленными функциональными возможностями. Технология программирования близка к интуитивному пониманию автоматизируемого процесса, что делает эти продукты легкими в освоении и доступными для широкого круга пользователей. Все системы можно считать открытыми, которые имеют открытый протокол для разработки собственных драйверов. Все они имеют развитую сетевую поддержку, возможность включения Active-X объектов.

Также следует отметить, что построение системы на основе SCADA - пакета резко уменьшает набор необходимых знаний в области классического программирования, позволяя концентрировать усилия по освоению знаний в прикладной области. Таким образом, выбор такой системы производится из критерия качества технической поддержки, качества обучения пользователей и качества дополнительных услуг по освоению и внедрению конечной системы управления.

1.2 Аппаратная часть систем автоматизации фирмы SIEMENS

1.2.1 Контроллеры SIMATIC S7-300

SIMATIC S7-300 - это модульный программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации низкой и средней степени сложности.

Модульная конструкция, работа с естественным охлаждением, возможность применения структур локального и распределенного ввода-вывода, широкие коммуникационные возможности, множество функций, поддерживаемых на уровне операционной системы, удобство эксплуатации и обслуживания обеспечивают возможность получения рентабельных решений для построения систем автоматического управления в различных областях промышленного производства.

Примеры областей применения simatic s7 300:

- Упаковочные автоматы

- Общее машиностроение

- Станкостроение

- Пищевая промышленность

- Электротехническое производство

- Водоснабжение

В рамках семейства контроллеров simatic s7 300 предлагаются семь ЦПУ с различными мощностными характеристика-ми:

- CPU 312 IFM - для автоматизации небольших установок с использованием или без использования аналоговых входов/ выходов

- CPU 313 - для автоматизации установок с повышенными требованиями к объему программы управления.

- CPU 314 - для автоматизации процессов, предъявляющих высокие требования к объему программы управления и скорости ее обработки

- CPU 314 IFM - компактный центральный процессорный модуль со встроенными входами и выходами для автома-тизации процессов, предъявляющих высокие требования к объему программы управления и скорости ее обработки

- CPU 315/315-2-DP, CPU316, CPU318 - для решения сложных задач автоматизации с большим объемом программы управления и для построения систем управления с децентрализованной структурой на базе PROFIBUS

Эффективному применению контроллеров способствует возможность использования нескольких типов центральных процессоров различной производительности, наличие широкой гаммы модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, функциональных модулей и коммуникационных процессоров.

Модификации контроллеров:

SIMATIC S7-300

* Модульный программируемый контроллер для решения задач автоматизации различного уровня сложности.

* Широкий спектр модулей для максимальной адаптации к решению любой задачи.

* Возможность использования распределенных структур ввода-вывода и простое включение в различные типы промышленных сетей.

* Удобная для обслуживания конструкция и работа с естественным охлаждением.

* Свободное наращивание возможностей при модернизации системы.

* Высокая мощность, благодаря большому количеству встроенных функций.

SIMATIC S7-300C

* Испытанная технология S7-300.

* Наличие встроенных входов и выходов, возможность использования в качестве

готовой системы автоматизации.

* Поддержка функций скоростного счета, ПИД -регулирования и позиционирования на уровне операционной системы центрального процессора.

* Расширение модулями S7-300.

SIMATIC S7-300F

* Программируемый контроллер для построения распределенных систем автоматики безопасности.

* CPU 315F-2DP/ CPU 317F-2DP с встроенными функциями автоматики безопасности и интерфейсом PROFIBUS DP, поддерживающим профиль PROFIsafe.

* Системы распределенного ввода-вывода на основе станций ET 200M с F-модулями и станций ET 200S PROFIsafe.

* Обеспечение уровней безопасности SIL1 … SIL2 по IEC/EN 61508, а также категорий 1 … 4 по EN 954-1.

* Реализация стандартных функций управления с функциями автоматики безопасности в одной системе.

Назначение:

Области применения SIMATIC S7-300/ S7-300C охватывают: автоматизацию машин специального назначения; автоматизацию текстильных и упаковочных машин; автоматизацию машиностроительного оборудования; автоматизацию оборудования для производства технических средств управления и электротехнической аппаратуры; построение систем автоматического регулирования и позиционирования; автоматизированные измерительные установки и другие.

Центральные процессоры S7-300C оснащены набором встроенных входов и выходов, а также набором встроенных функций, что позволяет применять эти процессоры в качестве готовых блоков управления.

Контроллеры SIMATIC S7-300 имеют модульную конструкцию и могут включать в свой состав:

* Модуль центрального процессора (CPU). В зависимости от степени сложности решаемой задачи в контроллерах могут быть использованы различные типы центральных процессоров, отличающихся производительностью, объемом памяти, наличием или отсутствием встроенных входов-выходов и специальных функций, количеством и видом встроенных коммуникационных интерфейсов и т.д.

* Модули блоков питания (PS), обеспечивающие возможность питания контроллера от сети переменного тока напряжением 120/230В или от источника постоянного тока напряжением 24/48/60/110В.

* Сигнальные модули (SM), предназначенные для ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов с различными электрическими и временными параметрами.

* Коммуникационные процессоры (CP) для подключения к сетям PROFIBUS, Industrial Ethernet, AS-Interface или организации связи через PtP (point to point) интерфейс.

* Функциональные модули (FM), способные самостоятельно решать задачи автоматического регулирования, позиционирования, обработки сигналов. Функциональные модули снабжены встроенным микропроцессором и способны выполнять возложенные на них функции даже в случае остановки центрального процессора программируемого контроллера.

* Интерфейсные модули (IM), обеспечивающие возможность подключения к базовому блоку (стойка с CPU) стоек расширения ввода-вывода. Контроллеры SIMATIC S7-300 позволяют использовать в своем составе до 32 сигнальных и функциональных модулей, а также коммуникационных процессоров, распределенных по 4 монтажным стойкам. Все модули работают с естественным охлаждением.

Функции

Контроллеры SIMATIC S7-300 поддерживают широкий набор функций, позволяющих в максимальной степени упростить процесс разработки программы, ее отладки, снизить затраты на обслуживание контроллера в процессе его эксплуатации:

* Высокое быстродействие и поддержка математики с плавающей запятой, позволяющие выполнять эффективную обработку данных и обеспечивающие существенное расширение спектра допустимых областей применения контроллеров.

* Удобный интерфейс для настройки параметров: для настройки параметров всех модулей используется единый набор инструментальных средств с общим интерфейсом.

* Человеко-машинный интерфейс. Функции обслуживания человеко-машинного интерфейса встроены в операционную систему контроллера. Эти функции позволяют существенно упростить программирование.

Система или устройство человеко-машинного интерфейса запрашивает необходимые данные у контроллера, контроллер передает запрашиваемые данные с заданной периодичностью. Все операции по обмену данными выполняются автоматически под управлением операционной системы контроллера с использованием одинаковых символьных имен и общей базы данных.

* Диагностические функции, встроенные в операционную систему контроллера. С их помощью осуществляется непрерывный контроль функционирования системы, и выявляются все возникающие отказы. Диагностические сообщения с отметками даты и времени накапливаются в кольцевом буфере для последующего анализа.

* Парольная защита: обеспечивает эффективную защиту программы от несанкционированного доступа, попыток копирования и модификации программы.

Большое количество модулей программируемого контроллера S7-300 оснащено набором встроенных интеллектуальных функций, существенно упрощающих эксплуатацию системы управления:

* Мониторинг сбора сигналов (диагностика).

* Мониторинг сигналов аппаратных прерываний.

Диагностика используется для определения работоспособности модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов. Для передачи диагностической информации применяются маскируемые и не маскируемые сообщения:

* Маскируемые диагностические сообщения могут пересылаться только в том случае, если это разрешено соответствующими параметрами настройки.

* Не маскируемые диагностические сообщения, пересылка которых производится независимо от соответствующих параметров настройки.

1.2.2 Контроллеры SIMATIC S7-400

SIMATIC S7-400 - это модульный программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации средней и высокой степени сложности.

Модульная конструкция, работа с естественным охлаждением, возможность применения структур локального и распределенного ввода-вывода, широкие коммуникационные возможности, множество функций, поддерживаемых на уровне операционной системы, удобство эксплуатации и обслуживания обеспечивают возможность получения рентабельных решений для построения систем автоматического управления в различных областях промышленного производства.

Основными областями применения SIMATIC S7-400 являются:

* Машиностроение.

*Автомобильная промышленность.

* Складское хозяйство.

* Технологические установки.

* Системы измерения и сбора данных.

* Текстильная промышленность.

* Упаковочные машины и линии.

* Производство контроллеров.

* Автоматизация машин специального назначения.

Модификации контроллеров

SIMATIC S7-400:

* Мощные программируемые котроллеры для построения систем управления средней и высокой степени сложности.

* Решение практически любых задач управления.

* Широкий спектр модулей и широкая гамма центральных процессоров для максимальной адаптации к требованиям решаемой задачи.

* Высокая гибкость, обеспечиваемая простотой использования систем распределенного ввода-вывода и мощными коммуникационными возможностями.

* Удобство обслуживания, работа с естественным охлаждением.

* Гибкие возможности расширения по мере развития объекта управления.

SIMATIC S7-400H:

* Программируемые контроллеры с резервированной структурой, обеспечивающие высокую надежность функционирования системы управления.

* Резервирование всех основных функций на уровне операционной системы центральных процессоров.

* Высокий коэффициент готовности, обеспечиваемый применением переключаемых конфигураций системы ввода-вывода.

* Возможность использования стандартных конфигураций систем ввода-вывода.

* Горячее резервирование: автоматическое безударное переключение на резервный блок в случае отказа ведущего бока.

* Конфигурации на основе двух стандартных или одной специализированной монтажной стойки.

* Использование резервированных сетей PROFIBUS DP для повышения надежности функционирования системы распределенного ввода-вывода.

SIMATIC S7-400F/FH:

* Построение систем автоматики безопасности и противоаварийной защиты (систем ПАЗ).

* Использование обычных или резервированных структур, повышающих надежность функционирования системы управления.

* Снижение затрат на монтаж цепей ввода-вывода автоматики безопасности. Применение высоко надежной связи через PROFIBUS DP с использованием профиля PROFISafe.

* Использование базовых компонентов S7-400H, станций распределенного ввода-вывода ET 200M с F-модулями, а также станций ET 200S PROFIsafe.

* Возможность применения смешанных структур ввода-вывода, включающих в свой состав стандартные и F-модули.

SIMATIC S7-400 - это мощный программируемый контроллер для построения систем управления средней и высокой степени сложности. Модульная конструкция, работа с естественным охлаждением, гибкие возможности расширения, мощные коммуникационные возможности, простота создания распределенных систем управления и удобство обслуживания делают SIMATIC S7-400 идеальным средством для решения практически любых задач автоматизации.

Программируемый контроллер SIMATIC S7-400H разработан для построения систем автоматического управления, отличающихся повышенной надежностью функционирования. Наличие резервированной структуры позволяет продолжать работу в случае возникновения одного или нескольких отказов в его компонентах. Как правило, такие системы управляют производствами, простой которых вызывает большие экономические потери.

Благодаря своей высокой надежности SIMATIC S7-400H может использоваться:

* В системах с высокими затратами на перезапуск производства в случае отказа контроллера.

*В системах с высокой стоимостью простоя.

* В процессах обработки ценных материалов (например, в фармацевтической промышленности).

* В системах без постоянного контроля со стороны обслуживающего персонала.

* В системах с небольшим количеством обслуживающего персонала.

SIMATIC S7-400 является универсальным контроллером. Он отвечает жестким требованиям промышленных стандартов, обладает высокой степенью электромагнитной совместимости, высокой стойкостью к ударным и вибрационным нагрузкам.

Установка и замена модулей контроллера может производиться без отключения питания (“горячая замена”).

Система автоматизации S7-400 имеет модульную конструкцию. Она может комплектоваться широким спектром модулей, устанавливаемых в монтажных стойках в любом порядке.

Система включает в свой состав:

* Модули блоков питания (PS): используются для подключения SIMATIC S7-400 к источникам питания =24/ 48/ 60/

120/ 230В или ~120/ 230В.

* Модули центральных процессоров (CPU): в составе контроллера могут использоваться центральные процессоры различной производительности. Все центральные процессоры оснащены встроенными интерфейсами PROFIBUS DP. При необходимости, в базовом блоке контроллера может быть использовано до 4 центральных процессоров.

* Сигнальные модули (SM): для ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов.

* Коммуникационные модули (CP): для организации последовательной передачи данных через PtP интерфейсу, а также обмена данными через промышленные сети PROFIBUS и Industrial Ethernet.

* Функциональные модули (FM): для решения специальных задач управления, к которым можно отнести счет, позиционирование, автоматическое регулирование и т.д. При необходимости в составе S7-400 могут быть использованы:

* Интерфейсные модули (IM): для связи базового блока контроллера со стойками расширения. К одному базовому блоку контроллера SIMATIC S7-400 может подключаться до 21 стойки расширения.

* Модули SIMATIC S5: все модули ввода-вывода контроллеров SIMATIC S5-115U/-135U/-155U могут устанавливаться в соответствующие стойки расширения SIMATIC S5. Кроме того, модули специального назначения IP и WF могут использоваться как в стойках SIMATIC S5, так и в базовом блоке контроллера SIMATIC S7-400. В последнем случае подключение модулей к внутренней шине контроллера S7-400 выполняется через адаптер.

Функции

Программируемые контроллеры SIMATIC S7-400 характеризуются следующими показателями:

* Высокое быстродействие. Выполнение логических инструкций за время, не превышающее 80нс.

* Удобные способы настройки параметров. Все модули могут настраиваться с помощью стандартных экранных форм STEP 7.

* Человеко-машинный интерфейс.

Функции обслуживания человеко-машинного интерфейса встроены в операционную систему контроллера. Процедуры передачи данных выполняются автономно, с использованием единых обозначений и баз данных.

* Диагностические функции. Встроенная система диагностики непрерывно контролирует состояние системы и фиксирует все ошибки и специфические события (таймаут, замена модулей, холодный перезапуск, останов и т.д.). Диагностическая информация накапливается в кольцевом буфере, что позволяет выполнять ее обработку.

* Защита программного обеспечения. Контроллер обеспечивает парольную защиту от несанкционированного копирования и модификации программ.

* Переключатель режимов работы. Переключение производится ключом. Удаление этого ключа исключает возможность копирования и изменения программ.

* Расширенный набор системных функций, поддерживающих обслуживание коммуникационных задач, задач управления программой и т.д.

Аппаратные прерывания позволяют существенно снизить время реакции контроллера на появление тех или иных событий.

В зависимости от варианта настройки модулей ввода дискретных сигналов для каждой группы входов модуль способен формировать запросы на прерывание по нарастающему, спадающему или по обоим фронтам входных сигналов. Центральный процессор прерывает выполнение программы пользователя или задач с более низкими уровнями приоритетов и вызывает соответствующий организационный блок (OB 40). Сигнальный модуль способен временно хранить один запрос прерывания на канал.

Параметры настройки модулей ввода аналоговых сигналов определяют верхний и нижний предел измеряемой величины. Модуль сравнивает текущий результат аналого-цифрового преобразования с допустимыми пределами измерений. В случае выхода за допустимые пределы формируется запрос на прерывание. Центральный процессор прерывает выполнение программы пользователя или задач с более низкими уровнями приоритетов и вызывает соответствующий организационный блок (OB 40). Если измеряемая величина выходит за допустимые пределы, выполнение операций сравнения прекращается.

1.2.3 Коммуникационные сети

Profibus

Шина PROFIBUS (Process Fieldbus) поддерживается группой немецких производителей и институтов. PROFIBUS сочетает функции уровней 1, 2 и 7 модели ВОС (физический, канальный и приложений).

Управление доступом к среде основано на гибридной версии маркерной шины IEEE 802.4, включающей ведущую и ведомую станции. К шине можно присоединить до 127 активных и пассивных станций.

PROFIBUS - это маркерная шина, в которой все циклы строго регламентированы по времени и организована продуманная система тайм-аутов. Протокол хорошо разрешает разнообразные коллизии в сети. Настройка всех основных временных параметров идет по сценарию пользователя.

Между активными станциями циркулирует маркер. Станция может передавать информацию, если владеет маркером. Маркер недоступен пассивным станциям. Активная станция должна запросить пассивную, после чего та может ответить сообщением.

Маркер циркулирует между ведущими станциями B, C, E, F и G. Владелец маркера может вести передачу. Ведомые станции A, D и H не могут передавать данные произвольно, а должны отвечать на запрос ведущей.

В PROFIBUS предусмотрено несколько типов сообщений - от простых запросов и подтверждений до более сложных пакетов данных. Сообщение имеет максимальную длину 256 байт. Ему можно приписать один из двух уровней приоритета.

PROFIBUS разработана для поддержки на одной шине интеллектуальных датчиков одновременно с более сложными устройствами (типа ПЛК, регуляторов, небольших управляющих компьютеров и т. д.).

Передающая среда в PROFIBUS, как правило, строится на основе RS-485 интерфейса.

Протокол PROFIBUS-DP был спроектирован для организации быстрого канала связи с уровнем датчиков. В основе алгоритма работы лежит модель циклического опроса каналов.

Profibus-DP оптимизирован для высокоскоростных и недорогих систем.

В DP-протоколе существуют три типа устройств:

1. Мастер Класса-2 (DPM2) - может выполнять функции конфигурирования и диагностики устройств сети;

2. Мастер-Класса-1 (DPM1) - программируемые контроллеры, в оперативном режиме выполняющие функции ведущего узла в сети;

3. Ведомые устройства (DP Slave)- пассивные устройства с аналоговым/дискретным вводом/выводом;

PROFIBUS-DP использует 1-й и 2-й уровни и реализует набор функций, обеспечивающих интерфейс к прикладной задаче пользователя. Отсутствие уровня 7 обеспечивает быструю и эффективную технологию передачи за счет прямого доступа к функциям канального уровня.

Протокол Profibus-PA - спроектирован специально для автоматизации процессов. Позволяет подключать датчики и приводы на одну линейную шину. Является расширением DP-протокола в части технологии передачи, основанной не на RS485, а на реализации стандарта IEC1158-2 для организации передачи во взрывоопасных средах. Он может использоваться в качестве замены старой 4-20мА-технологии связи. Для коммутации устройств нужна всего одна витая пара, которая может одновременно использоваться и для информационного обмена, и для запитывания устройств.

Протокол Profibus-FMS - это обще целевое решение, используется для широкого ряда приложений. Он появился первым и был предназначен для работы на цеховом уровне. Здесь требуется высокая степень функциональности, и этот критерий важнее критерия скорости. FMS-протокол допускает гибридную архитектуру взаимодействия узлов, основанную на таких понятиях, как виртуальное устройство сети, объектный словарь устройства (переменная, массив, запись, область памяти, событие и др.), логическая адресация и т.д.

MODBUS

Этот протокол разработан фирмой Gould Inc. для построения промышленных распределенных систем управления. Специальный физический интерфейс для него не определен. Эта возможность предоставлена самому пользователю: RS-232C, RS-422, RS-485 или же токовая петля 20 мА.

Протокол Modbus был разработан для сбора данных контроллерами Modicon с первичных (подчиненных) приборов (контроллеров). Структура протокола чрезвычайно сильно оптимизирована для использования в ПЛК. Данные передаваемые в запросах интерпретируются как регистры данных в ПЛК.

Протокол MODBUS работает по принципу MASTER-SLAVE, или "ведущий-ведомый". Конфигурация на основе этого протокола предполагает наличие одного MASTER-узла и до 247 SLAVE-узлов. Только MASTER инициирует циклы обмена данными. Существует два типа запросов:

1. запрос/ответ (адресуется только один из SLAVE-узлов);

2. широковещательная передача (MASTER через выставление адреса 0 обращается ко всем остальным узлам сети одновременно без квитирования).

Протокол MODBUS можно назвать наиболее распространенным в мире. Он привлекает простотой логики и независимостью от типа интерфейса. Но тем не менее данная технология имеет ограниченные возможности в плане обмена сложными наборами параметрических данных между устройствами.

ASI

Основная задача этой сети - связать в единую информационную структуру устройства самого нижнего уровня распределенной системы автоматизации, а именно датчики и разнообразные исполнительные механизмы, имеющие соответствующий сетевой интерфейс.

С помощью сети ASI можно строить системы, в которых датчики и контроллеры связаны одной сетью. Причем ASI имеет шлюзы в другие промышленные сети: PROFIBUS, INTERBUS-S и другие .

Каждый узел ASI-сети должен иметь специальный интерфейсный кристалл с поддержкой ASI-протокола.

AS-интерфейс использует метод доступа к ведомым устройствам, основанный на их циклическом опросе (polling). При опросе системы, состоящей из 31 ведомого устройства, время цикла составляет 4.7 мс. Таким образом, не позднее чем через каждые 5 мс каждый датчик или исполнительный механизм системы будет опрошен ведомым устройством.

Топология сети AS-интерфейса очень проста и позволяет подключать ведомые устройства по схемам «шина», «звезда», «кольцо» или «дерево» Единственный пункт, который необходимо учитывать, -- это ограничение общей длины кабеля 100 м.

Ethernet «Реального времени».

Стандарт Industrial Ethernet соответствует международному стандарту IEEE 802.3 (Ethernet) и работает по принципу CSMA/CD Industrial Ethernet поддерживает передачу данных по различным физическим сетям:

- Электрические сети передачи - с шинной структурой применяется промышленная витая пара (ITP) с двойным экранированием - решение обеспечивающее исключительную надежность работы систем в суровых промышленных условиях. С помощью электрических модулей связи (ELM) и промышленных витых пар могут конфигурироваться недорогие звёздообразные топологии.

- Оптическая среды передачи - используется оптоволоконный кабель. При использовании оптической среды передачи сеть может иметь магистральную, кольцевую или звездообразную топологию. Возможно также построение смешанных сетей, включающих в свой состав как оптические, так и электрические сегменты.

К сети стандарта Industrial Ethernet могут быть подключены:

-Контроллеры различных производителей

-Персональные и промышленные компьютеры

-Средства визуализации HMI

-Сертифицированные системы других производителей.

Основной задачей, решаемой сетью в ее простейшей форме, является повторение (репликация) характеристик сети по всему пути между клиентом и сервером (или двумя равными станциями) со скоростью, требуемой приложением.

Нет необходимости в сложных протоколах, поскольку между источником и приемником не возникает ничего такого, что могло бы оказывать влияние на процесс коммуникации. Назначением сети является поддержание тех же характеристик передачи, но масштабируемых на сотни и тысячи устройств, работающих в сети. Чтобы достичь этого, нам необходимо создать логическое соединение взамен физического.

Рассмотрим типичную стратегию миграции для задач автоматизации офисной деятельности. Простой, но эффективный подход к модернизации сетей имеет три этапа:

- Разрушение магистральных линий связи,

- Модернизация связей с сервером,

- Микросегментация сети.

Ethernet - масштабируемая технология. Микросегментация сети простой способ балансирования потребностей всех пользователей сети и устройств, а также предоставления им требуемой пропускной способности. Микросегментация позволяет одному устройству иметь собственный сегмент Ethernet. С другой стороны, пользователи или устройства могут быть сгруппированы для работы в традиционном режиме разделения.

Подключение одного устройства на порт имеет две существенные выгоды.

Во-первых, это позволяет отключить арбитраж шины и работать в дуплексном режиме. С отключенным арбитражем, устройство может передавать и принимать со скоростью, допускаемой проводным соединением и без задержек по времени. Это устраняет коллизии и значительно увеличивает производительность сети.

Во-вторых, с обеспечением отдельных путей для приема и передачи, дуплексный режим эффективно удваивает пропускную способность Ethernet. Это дает значительный прирост производительности для любого пользователя, подключенного к выделенному порту. Сегодня любое устройство, требующее работы в реальном времени или интенсивного обмена по сети может быть подключено для работы в дуплексном режиме.

1.3 Программная часть систем автоматизации фирмы SIEMENS

1.3.1 Общие сведения о системе проектирования и управления процессом SIMATIC PCS 7

STEP 7 - это программное обеспечение для программирования S7- 300/400.

Программа SIMATIC S7 является структурированной программой, что означает, что она состоит из блоков, обладающих определенными функциями, соответствующими их положению в сетевой и иерархической структуре системы. Различные классы приоритетов позволяют располагать в определенном порядке прерывания исполняемой программы пользователя.

STEP 7 работает с переменными различных типов, начиная с переменных двоичного типа (BOOL), с переменных численных форматов (INT или REAL) и заканчивая сложными типами, такими как массивы или структуры (комбинации переменных различных типов в форме единой переменной ). PCS 7 - это система управления процессом, которая при создании проекта обеспечивает пользователя большим числом функций автоматики для быстрого и удобного создания проектов.

Прежде всего PCS 7-проект содержит следующие объекты:

* Конфигурацию оборудования (Hardware configuration)

* Блоки (Blocks)

* CFC-схемы и SFC-схемы (CFC-charts и SFC-charts)

Эти объекты всегда существуют независимо от количества операторских станций (operator stations - OS), модулей и организации сети.

PCS 7 содержит следующие приложения:

* SIMATIC Manager - это центральное приложение, предоставляющее возможность обращаться ко всем другим приложениям, которые можно использовать при создании PCS 7-проекта. Запуск утилиты SIMATIC Manager является отправной точкой при создании проекта. При необходимости SIMATIC Manager инициирует запуск других утилит, например, для конфигурирования станций, для инициализации модулей или для написания и тестирования программ.

* HW Config - это утилита конфигурирования аппаратного обеспечения системы в целом, например CPU, источника питания, коммуникационных процессоров.

* CFC-редактор / SFC-редактор - редакторы для создания CFC-схем (charts) и последовательного управления (sequential controls).

* PCS 7 OS с разными редакторами (PCS 7 OS with various editors) - для создания конфигурации операторских станций (OS).

SIMATIC Manager - это центральное приложение и некоторыми образом "ядро" ("core") системы PCS 7. Это отправная точка, начиная с которой можно открывать все другие приложения, в которых можено задавать установки для PCS 7-проекта. Утилита SIMATIC Manager и все другие приложения связаны друг с другом. Когда открывается SIMATIC Manager, можно видеть, например, все блоки, которые вставлены в CFC-схему (CFC chart) с помощью CFC- редактора. Кроме того, значительный выигрыш от такой связи приложений становится очевидным, когда конфигурируется операторская станция (OS). Можно обратиться к любым данным, которые созданы посредством SIMATIC Manager и других приложений, например, просто и быстро визуализировать переменную процесса (process tag) из CFC- схемы (chart) во время конфигурирования операторскей станции (OS).

1.3.3 Программный пакет визуализации процессов WinCC

WinCC связующее звено между человеком и машиной в концепции автоматизации. Это специализированная и технологически нейтральная система для решения задач визуализирующей и управляющей техники для автоматизации какого-либо процесса. Она предлагает применимые в промышленности функциональные модули для представления графиков, вывода сообщений, их архивирования и протоколирования. С помощью ее работоспособной связи с процессом, быстрой актуализации рисунков и надежного архивирования данных гарантируется высокая адаптивность к различным автоматизированным системам управления и надежность работы при осуществлении наблюдения.

С помощью WinCC представляется программное обеспечение для визуализации процесса, с помощью которого можно наглядно и легко наблюдать за процессами и обслуживать их в конкретном автоматизированном устройстве. В настоящее время осуществляется рост процессов автоматизации самых разнообразных технологических процессов и необходимостью осуществлять быстрое и точное наблюдение и обслуживание этих технологических процессов, что ведет к необходимости подготовки квалифицированного рабочего персонала. WinCC - программное обеспечение для визуализации процессов, с помощью которого легко может быть реализовано наблюдение за всеми составляющими системами автоматизированного процесса. В WinCC комбинированы архитектура приложений Windows 95 и NT 4.0 с простотой графического оснащения программ. Данная система визуализации предлагает все необходимые составные части для решения задач контроля и управления автоматизированным процессом. WinCC предоставляет проектировщику набор инструментов, банков данных и различных редакторов, пользуясь которыми создаются логически завершенные части проекта, облегчая тем самым работу проектировщика и уменьшая затраты времени на создание и тестирование проекта.

2. Программирование систем автоматизации SIMATIC S7

контроллер программный пакет автоматизация

2.1 Основы работы с программным пакетом STEP7

2.1.1 Обработка программы

Программное обеспечение для CPU состоит из операционной системы (operating system) и пользовательской программы (user program).

Операционная система - это совокупность всех инструкций и описаний, которые осуществляют управление всеми системными ресурсами и процессами, использующими эти ресурсы. Она включает в себя такие функции, как резервирование данных в случае сбоя электропитания, активация приоритетных классов и так далее. Операционная система является компонентом CPU, к которому у пользователя нет доступа в режиме записи. Однако, вы можете перезагружать операционную систему с карты памяти в случае, к примеру, обновления программы.

...