Programarea PLC-urilor SIMATIC S7-1200/1500

Obiective

Prezentarea limbajului SCL (Structured Control Language) pentru programarea SIMATIC S7-1200/1500, mod de utilizare, particularitati

Prezentarea modului de realizarea a functiilor

Prezentarea instructiunilor decizionale, repetitive si realizarea de aplicatii cu aceste instructiuni

Prezentarea si exemplificarea facilitatilor de programarea in realizarea aplicatiilor SCADA

Organizarea sarcinilor de lucru

Parcurgeti cele trei capitole ale cursului.

In cadrul fiecarui capitol urmariti exemplele ilustrative si incercati sa le realizati in medul de dezvoltare TIA-Portal.

Fixati principalele idei ale cursului, prezentate în rezumat.

Aplicatiile SCADA sunt rulate in general de serverele SCADA sau de terminalele HMI. In aplicatiile Siemens SCADA aplicatiile HMI sunt dezvoltate pe baza scripturilor VB Scripts (Visual Basic Scripts). In cazul aplicatiilor SCADA care necesita pe langa monitorizarea diverselor procese, comanda si controlul acestora, pentru a creste performanta intregului sistem SCADA, functiile de comanda si control ale proceselor trebuie transferate spre PLC-uri(Programmable Logic Controller).

Mediul de dezvoltare SCADA TIA-Portal include pe langa instrumentele de dezvoltare HMI-uri, elemente pentru programarea PLC-urilor de tipul SIMATIC S7-1200/1500.

1.Elemente de programare SCL

SCL (Structured Control Language) inclus TIA Portal este un limbaj de programare de nivel inalt bazat pe limbajul de programare Pascal.
Vom dezvolta in continuare proiectul numit Prg_plc_000 in cadrul caruia vom realiza diverse screen-uri in care vom folosi facilitatile de programarea PLC-urilor de tipul SIMATIC S7-1200/1500 oferite de limbajul SCL.

SCL este un limbaj bazat pe:

Instructiuni care se termina cu separatorul ";"
O instructiune se poate scrie pe mai multe randuri
Nu este case sensitiv

    Comentarii

    // Pentru o singura linie de comentariu
    (*
    Mai multe linii de comentariu
    *)

    Definirea variabilelor

    In SCL variabilele se definesc prin intermediul Tag-urilor, de tip (I sau Q) pentru variabile de intrare sau iesire si de tipul M daca e o variabila generala.

    Daca e o variabila generala trebuie stabilit tipul acesteia( Int, Real..)

    Crearea functiilor

    Program blocks --> Add new block --> Function -->SCL

Dupa ce s-a creat functia, cu dublu click pe numele functiei, se editeaza continutul functiei.

2. Instructiuni

    Instructiunea IF :

    Instructiunea IF se foloseste pentru a selecta executia unei instructiuni (sau a unui grup de instructiuni) functie de valoarea logica a unei expresii relationale

    Formatul instructiunii:
    Instructiunea IF are urmatoarele formate:

    IF expresie relationala THEN
      instructiune(instructiuni)
    END_IF

    sau

    IF expresie relationala THEN
      instructiune(instructiuni)
    ELSE
      instructiune(instructiuni)
    END_IF

    Instructiunea CASE :

    CASE "variabila" OF
      0:
      declaratii;
      1:
      declaratii;
      .
      .
      .
      n:
      declaratii;
    END_CASE;

Aplicatii care utilizeaza instructiuni decizionale
    Ne propunem, in cadrul proiectului "Prg_plc_000" sa definim un PLC tag de tip int tag numit "Contor"

Vom defini in cadrul proiectului "Prg_plc_000" functia SCL in: Program blocks -->"Incr_cnt".

"Contor" := "Contor" + 1;
IF "Contor" > 100 THEN
    "Contor" := 0;
    ;
END_IF;

Pentru a fi lansata in executie functia "Incr_cnt", trebuie apelata din functia "Main" functie cu care se incepe rularea programului in PLC. Includerea apelului functiei "Incr_cnt" in functa "Main" se face prin operatia de Click pe functia "Incr_cnt" si Drag pe "Network1" a functiei "Main".

Dupa compilarea si transferarea programului in PLC (butonul "Compile" si butonul "Download to device"), functia "Main" se lanseaza automat in executie. Functia "Main" apeleaza la randul ei functia "Incr_cnt".
In cazul ca nu dispunem de PLC, rularea programului poate fi simulata din butonul "Stat simulation" din meniul principal.

Selectand PLC Tags-->Show all tags si apasand butonul "Monitor all" (incercuit cu rosu), putem vedea in mod dinamic schimbarea valorii acestui tag.

Valorile sunt afisate la interval de 0.1 secunde iar modificarea valorii acestu tag se face cu o viteza mult mai mare, deci vom vedea numere aleatoare intre 0 si 100, nu vom vedea numere afisate in ordine de la 0 la 100.
Am putea sa realizam un screen numit "Contor_01" in care sa afisam grafic valoarea contorului. Plasam pe acest screen un obiect "Trend view" si un obiect "Slider" carora le atribuim PLC tag-ul "Contor".

Dupa atribuirea PLC tag-ul "Contor" acestor obiecte, acest tag apare automat in HMI tags

Modificam Acquisition cyle la 100 ms, apasam "Start simulation" si obtinem:

Pentru a realiza un contor care se incrementeaza numai la un anumit interval ( de ex 100ms), vom crea un nou block "Cyclic interrupt" si un nou tag "Cyclic_cnt".

Continutul acestei functii fiind:

"Cyclic_cnt" := "Cyclic_cnt" + 1;
IF "Cyclic_cnt" > 100 THEN
    "Cyclic_cnt" := 0;
    ;
END_IF;

Daca introducem PLC tags: "Alfa" si "Val_sin" am putea sa afisam o forma sinusoidala.
Completam functia "Cyclic interrupt" cu:

"Alfa" := "Alfa" + 0.1;
IF "Alfa" > 100 THEN
    "Alfa" := 0;
END_IF;

"Val_sin" := 50 * (1 - SIN("Alfa"));

Creem Screen-ul "Contor_03" in care atrbuim obiectului "Trend view" tag-urile "Contor" "Val_sin", rulam din nou aplicatia si obtinem:

    Realizarea Screen-urilor dinamice

    In aplicatiile HMI anterioare am realizat Screen-uri dinamice folosind Timere citite in mod repetitiv. Metoda nu este eficienta deoarece aplicatia ruleaza intr-o bucla infinita, afectand performanta aplicatiei. Folosind "Cyclic interrupt" putem incrementa un contor de exemplu la intervale predefinite de timp. Folosind tag-ul "Cyclic_cnt", tag care va fi modificat de aplicatia din blocul: "Cyclic interrupt", putem folosi evenimentul "Value change" al tag-ului "Cyclic_cnt" pentru a realiza Screen-uri dinamice cu timpul de refresh dat de parametrul "Cyclic time" al blocului "Cyclic interrupt" care contine rutina pentru incrementarea tag-ului "Cyclic_cnt".
    Sa realizam screen-ul dinamic :"Screen dinamic" in care plasam un obiect "Graphic_vew" pe care sa-l delasam pe screen.

Avem nevoie de tag-urile:

Pe evenimentul "Value change" al tag-ului "Cyclic_cnt" vom plasa scriptul "Incr_param":

Sub Incr_param()
	Altitud=Altitud+1
	Poz_v=Poz_v-1
	Poz_h=Poz_h+2
	If Altitud>250 Then
		Altitud=0
		Poz_h=0
		Poz_v=0
	End If
End Sub

Utilizarea instructiunii CASE

Vom folosi in continuare instructiunea CASE pentru a realiza diverse aplicatii in care vom folosi 10 LED-uri fizice plasate pe PLC cat si 10 LED-uri simulate,plasate pe Screen-ul "Leduri_01".

Vom defini deci 10 TAG-uri PLC de tip bool-ean, cu numele C00...C10 avand adresele %Q0.0...%Q0.7,%Q1.0,%Q1.1 si o variabila k de tip int.

Pentru simularea LED-urilor, vom plasa pe Screen-ul "Leduri_01" 10 obiecte "Rectangle" cu numele "Rectangle_1"... "Rectangle_10". Fiecarui obiect "Rectangle" ii adaugam o animatie "Apperance" careia ii setam PLC Tag C01...C10

Aplictiile pe care le vom realiza in continuare, vor fi realizate in PLC prin intermediul functiilor SCL. In HMI nu vom mai realiza Script-uri, toata logica aplicatiei fiind inclusa in functiile scrise in SCL.
Prima aplicatie numita "Scan" va simula deplasarea unui singur LED de la staga la dreapta. Continutul functiei "Cyclic interrupt" va fi:

     "k" := "k" + 1;
    IF "k" > 10 THEN
        "k" := 0;
    END_IF;
    CASE "k" OF
        0:
            "C17" := FALSE;
        1:
            "C17" := FALSE;
            "C00" := TRUE;
        2:
            "C00" := FALSE;
            "C01" := TRUE;
        3:
            "C01" := FALSE;
            "C02" := TRUE;
        4:
            "C02" := FALSE;
            "C03" := TRUE;
        5:
            "C03" := FALSE;
            "C04" := TRUE;
        6:
            "C04" := FALSE;
            "C05" := TRUE;
        7:
            "C05" := FALSE;
            "C06" := TRUE;
        8:
            "C06" := FALSE;
            "C07" := TRUE;
        9:
            "C07" := FALSE;
            "C16" := TRUE;
        10:
            "C16" := FALSE;
            "C17" := TRUE;
        ELSE
            "C00" := FALSE;
            "C17" := FALSE;
    END_CASE;

Se lanseaza comanda "Download to device" dupa care se poate observa modul cum ruleaza acest program, fie prin vizualizarea PLC-tags si activarea obtiunii "Monitor all" fie prin afisarea HMI-uli "Leduri_01"

    Instructiunea FOR :

    FOR contor=contor_start TO contor_stop DO
      declaratii
      .
      .
      .
      declaratii
    END_FOR;

    Vom folosi in continuare Screen-ul "Leduri_01" cu cele 10 LED-uri pentru a afisa PLC tag-ul k in format binar pe cele 10 LED-uri. Pentru a realiza conversia int->binar se vor face operatii repetate de impartire cu 2 si vom folosi deci instructiunea repetitiva FOR. Avem nevoie de variabilele temporare j si b pe care le vom defini in sectiunea "temp".

Apelarea tag-urilor in program se face folosind " " iar apelarea variabilelor temporare se face folosind simbolul # astfel ontinutul functiei "Cyclic interrupt" fiind:

    "k" := REAL_TO_INT("Alfa" * 10);
    FOR #j := 0 TO 9 DO
        IF ("k" MOD 2) = 0 THEN
            #b := FALSE;
        ELSE
            #b :=TRUE ;
        END_IF;
        "k" :=REAL_TO_INT("k" / 2) ;
        CASE #j OF
            0:
                "C17" := #b;
            1:
                "C16" := #b;
            2:
                "C07" := #b;
            3:
                "C06" := #b;
            4:
                "C05" := #b;
            5:
                "C04" := #b;
            6:
                "C03" := #b;
            7:
                "C02" := #b;
            8:
                "C01" := #b;
            9:
                "C00" := #b;
            ELSE
                ;
        END_CASE;
        
        ;
    END_FOR;

    Instructiunea WHILE :

     WHILE expresie relationala DO
      declaratii;
      .
      .
      .
      declaratii;
    END_WHILE;

    Aplicatia anterioara poate fi rescrisa folosind instructiunea WHILE astfel:

    "k" := "k" + 1;
    IF "k" > 1000 THEN
        "k" := 0;
    END_IF;
    #j := 0;
    WHILE #j<10 DO
        IF ("k" MOD 2) = 0 THEN
            #b := FALSE;
        ELSE
            #b :=TRUE ;
        END_IF;
        "k" :=REAL_TO_INT("k" / 2) ;
        CASE #j OF
            0:
                "C17" := #b;
            1:
                "C16" := #b;
            2:
                "C07" := #b;
            3:
                "C06" := #b;
            4:
                "C05" := #b;
            5:
                "C04" := #b;
            6:
                "C03" := #b;
            7:
                "C02" := #b;
            8:
                "C01" := #b;
            9:
                "C00" := #b;
            ELSE
                ;
        END_CASE;
        
        ;
     END_WHILE;

Definirea si utilizarea tablourilor

In SCL se pot defini tablouri numai ca variabile temporare. Mai jos este definita variabila "Matr_l" de tip Array of Bool.

Utilizand acest tablou, vom simula un "Vu-metru".

    "k" :="k"+ 1;
    IF"k" > 10 THEN
        "k" := 1;
    END_IF;
    #j := 0;
    WHILE #j<10 DO
        IF "k" > #j THEN
            #Matr_l[#j] := TRUE;
        ELSE
            #Matr_l[#j] := FALSE;
        END_IF;
        #j := #j + 1;
    END_WHILE;
    "C17" := #Matr_l[0];
    "C16" := #Matr_l[1];
    "C07" := #Matr_l[2];
    "C06" := #Matr_l[3];
    "C05" := #Matr_l[4];
    "C04" := #Matr_l[5];
    "C03" := #Matr_l[6];
    "C02" := #Matr_l[7];
    "C01" := #Matr_l[8];
    "C00" := #Matr_l[9];

3. Diverse aplicatii

Utilizarea marimilor digitale

In aceasta aplicatie vom utiliza:

Comutatoarele B00 - B07 aflate pe intrarile digitale DIGITAL INPUT 0.0 - 0.7
Comutatoarele B08 - B15 aflate pe intrarile digitale DIGITAL INPUT 1.0 - 1.7.
LED-urile C00 - C07,C16,C17 aflate pe iesirile digitale DIGITAL OUTPUT a 0.0 - 0.7 + b 0.0 0.1
LED-urile C08 - c15 aflate pe iesirile digitale DIGITAL OUTPUT 1.0 - 1.7.

Utilizarea marimilor analogice

In aceasta aplicatie vom utiliza:

Intrarile analogice AI0 - AI3 aflate pe intrarile analogice ANALOGICAL INPUT IW112 - IW118
Iesirile analogice AO0 - AO1 aflate pe iesirile analogice ANALOGICAL OUTPUT QW64-QW66

Pentru intrarile analogice in domeniul este 0 -10v, valorile corespunzatoare fiind in domeniul 0-32000
Pentru iesirile analogice in domeniul: -3200 +32000 valorile la iesire fiind in domeniul -10v +10v

Multi I/O

In aceasta aplicatie vom utiliza toate intrarile si iesirile:

Trending

In aceasta aplicatie vom utiliza toate intrarile analogice pe care le vom afisa pe un control de tip "Trend View":

Intrarile analogice vor fi conectate la potentiometrele de pe panoul frontal.

Pentru a afisa valorile AI0-AI3 in "Trend View" va trebui sa definim tag-urile AI0_scalat-AI3_scalat

Valorile scalate vor fi calculate in "Cyclic Interrupt" astfel:

	"AI0_scalat" := REAL_TO_INT("AI0" / 100);
	"AI1_scalat" := REAL_TO_INT("AI1" / 100);
	"AI2_scalat" := REAL_TO_INT("AI2" / 100);
	"AI3_scalat" := REAL_TO_INT("AI3" / 100);

Generatoare de semnal

     Generator de semnal realizat cu circuitul 555

    In aceasta aplicatie vom cupla la intrarile analogice A0-A3, diverse generatoare de semnal si vom afisa evolutia in timp a semnalelor pe un control de tip "Trend View":
    Pentru inceput vom conecta un generator realizat cu circuitul 555 si un divizor hexa pe intrarile analogice astfel:

Vrem sa afisam A0-A3 in "Trend View" sub forma:

Va trebui sa definim tag-urile AI0_gen_s-AI3_gen_s.
Valorile scalate vor fi calculate in "Cyclic Interrupt" astfel:

	"AI0_gen_s" := REAL_TO_INT("AI0" / 250 + 230);
	"AI1_gen_s" := REAL_TO_INT("AI1" / 250 + 160);
	"AI2_gen_s" := REAL_TO_INT("AI2" / 250 + 90);
	"AI3_gen_s" := REAL_TO_INT("AI3" / 250 + 20);

Generator de semnal realizat cu Arduino UNO

Vom conecta acum la intrarile analogice un generator de semnal realizat cu Arduino UNO.

Generator de semnal pe iesirea AO0 si cuplarea semnalului la AI0

Vom realiza acum un bloc "Cyclic interrupt" caruia ii setam proprietatea "Cyclic time" la 700 mS si plasam urmatorul cod:

"Cnt_gen_s" := "Cnt_gen_s" + 1;
IF "Cnt_gen_s" > 1001 THEN
    "Cnt_gen_s" := 0;
END_IF;
IF "Cnt_gen_s" MOD 2 = 0 THEN
    "AO0" := 10;
    //"AO1" := 10;
ELSE
    "AO0" := 32500;
    //"AO1" := 32500;
END_IF;

    Unde "Cnt_gen_s" este un Tag PLC. Conectam acum fizic iesirea AO0 la intrarea AI0 si afisam din Screen-ul "Generator de semnal"
    Am realizat astfel un generator de forma de unda dreptunghiulara care are frecventa 1.4 Hz avand in vedere ca ta fiecare "Cyclic time" adica la 700 mS are loc cate o tranzitie din 0-1 sau 1-0

     Generator de semnal pe iesirea AO0 si cuplarea unui difuzor pe iesirea AO0

    Conectam la AO0 un difuzor si setam proprietatea "Cyclic time" la 10 mS, obtinem astfel un sunet pe difuzor.

Rezumat

SCL (Structured Control Language)

    Instructiunea IF :

    Instructiunea IF se foloseste pentru a selecta executia unei instructiuni (sau a unui grup de instructiuni) functie de valoarea logica a unei expresii relationale

    Formatul instructiunii:
    Instructiunea IF are urmatoarele formate:

    IF expresie relationala THEN
      instructiune(instructiuni)
    END_IF

    sau

    IF expresie relationala THEN
      instructiune(instructiuni)
    ELSE
      instructiune(instructiuni)
    END_IF

    Instructiunea CASE :

    CASE "variabila" OF
      0:
      declaratii;
      1:
      declaratii;
      .
      .
      .
      n:
      declaratii;
    END_CASE;

    Instructiunea FOR :

    FOR contor=contor_start TO contor_stop DO
      declaratii
      .
      .
      .
      declaratii
    END_FOR;
    Instructiunea WHILE :

     WHILE expresie relationala DO
      declaratii;
      .
      .
      .
      declaratii;
    END_WHILE;

Rezultate asteptate

Cum sa scrieti programe SCL

Sa utilizati instructiuni decizionale si repetitive in SCL

Sa realizati aplicatii SCADA in care sa folositi elemente de programare SCL

Termeni esentiali

Termen	Descriere
SCADA	Supervisory Control And Data Aquisition
Tag	Nume generic pentru elementele din procesul monitorizat codificate prin intermediul variabilelor
HMI	Human Machine Interface -Interfata dintre aplicatie si utilizator
SCL (Structured Control Language)	Limbaj pentru programarea PLC-urilor de tipul SIMATIC S7-1200/1500
Instructiuni decizionale	Instructiuni care permit alegerea setului de instructiuni care urmeaza a fi executate in functie de o expresie relationala
Instructiuni repetitive	Instructiuni care permit rularea repetitiva functie de o expresie relationala, a unui setului de instructiuni
Expresie relationala	Expresie a carui rezultat este o valoare logica

Recomandari bibliografice

[1] T. Turc - Sisteme SCADA, Ed. Univ. "Petru Maior", ISBN: 978-606-581-110-2 , 2013

[2] T. Turc - Aplicatii SCADA, Ed. Univ. " Petru Maior", ISBN: 978-606-581-109-6 , 2013

[3] T. Turc - Programarea microprocesoarelor din familia X86:, Ed. Univ. "Petru Maior", ISBN: 978-606-581-026-6, 2011

[4] T. Turc - Tehnologii WEB:, Ed. Univ. "Petru Maior", ISBN: 978-973-755-576-2, 2010

[5] T. Turc - Informatica aplicata in ingineria electrica, ISBN: 978-973-169-700-0, Ed. univ. UMFST, Tg. Mures, 2021.

[6] T. Turc - Programare avansata C++ pentru ingineria electrica, ISBN: 978-973-755-588-5, Ed. MatrixRom, 2009.

[7] T. Turc - Elemente de programare C++ utile in ingineria electrica, ISBN: 978-973-755-576-2, Ed. MatrixRom, 2009

[8] B. Barbat - Informatica industriala - Programarea în timp real – Institutul Central pentru Conducere si informatica 1984

[9] I. Babuita – Conducerea automata a proceselor – Ed. Facla 1985

Link-uri utile

https://support.industry.siemens.com/cs/ww/en/view/109755216 - SIMATIC WinCC V15.1 - Programming reference - 2021 -

https://support.industry.siemens.com/cs/us/en/view/109755202 - STEP 7 and SIMATIC WinCC V15.1 System Manual - 2021 -

https://support.industry.siemens.com/cs/ww/en/view/81318674 - Programming for SIMATIC S7-1200 and S7-1500 - 2021 -

https://support.industry.siemens.com/cs/document/39710145 - SIMATIC S7-1200 Easy Book - 2021 -

https://support.industry.siemens.com/cs/ww/en/view/68011496 - Creating and using user-defined web pages on S7-1200 / S7-1500 -

S7-1200_1500_Webserver_DOC_v4_en.pdf - Creating user-defined web pages for S7-1200 / S7-1500 - 2021 -