Aktuální vydání

celé číslo

12

2018

Automatizační technika v energetice a teplárenství

celé číslo

Řídicí systémy Simatic pro moderní automatizaci

číslo 2/2005

Řídicí systémy Simatic pro moderní automatizaci

Společnost Siemens nabízí velmi široké spektrum komponent pro řízení a průmyslovou automatizaci od nejjednodušších a nejlevnějších řídicích prvků až po složité řídicí struktury. Pro danou úlohu a své řešení si z této nabídky může každý uživatel vybrat optimální prvky. Článek informuje především o nabídce řídicí techniky středního a vyššího výkonnostního rozsahu. Skupina řídicích systémů Simatic poskytuje řešení nejrozmanitějších automatizačních úloh při řízení jak diskrétních, tak i kontinuálních či hybridních technologických procesů. Nejčastěji se používají v automobilovém průmyslu v univerzálních i jednoúčelových strojích a zařízeních, ve všeobecné strojírenské a elektrotechnické výrobě (téměř ve všech strojích a zařízeních), při zpracování plastů, v balicích strojích, v potravinářství a ve vodárenství, při výrobě a rozvodu elektrické energie apod.

Simatic S7-300

Průmyslový řídicí systém Simatic S7-300 (obr. 1) je z široké nabídky společnosti Siemens nejprodávanější. Je určen pro realizaci velmi rozmanitých automatizačních úloh středního rozsahu. Je univerzální automatizační platformou pro systémová řešení s hlavním důrazem na výrobní techniku. Představuje optimální volbu pro centrální i distribuované řízení.

Obr. 1.

Obr. 1. PLC Simatic S7-300

Centrální procesorové jednotky

Co se týče nabídky centrálních procesorových jednotek (CPU) pro Simatic S7-300, může si uživatel vybírat v těchto kategoriích:

  • standardní CPU,
  • kompaktní CPU,
  • bezpečnostní CPU (F-systémy),
  • technologické CPU,
  • kompletní přístroje Simatic C7.

Současná nabídka CPU v jednotlivých kategoriích je velmi bohatá.

Standardní CPU

V kategorii standardních CPU lze volit z několika typů. Všechny jednotky jsou standardně osazeny programovacím a komunikačními rozhraními MPI, v některých je zabudováno i rozhraní Profibus (typy 315-2DP, 317-2DP, 318-2DP). Novým trendem v současné automatizaci je orientace na standard Ethernet i ve výrobních provozech. Tomu plně vyhovují nové CPU s integrovaným ethernetovým rozhraním (315-2PN/DP, 317-2PN/DP). Právě díky nim je nyní připojení a obsluha distribuovaných jednotek přes Ethernet jednodušší a zmíněné jednotky lze přes toto rozhraní rovněž programovat. Parametry jednotlivých typů CPU jsou rovnoměrně odstupňovány tak, aby si uživatel mohl velmi snadno vybrat vhodnou jednotku pro danou automatizační úlohu.

Kompaktní CPU

Jako kompaktní se označují CPU doplněné digitálními a analogovými I/O a nejčastěji vyžadovanými základními technologickými funkcemi jako rychlé čítání, měření frekvence, nastavování polohy a PID regulace. Všechny kompaktní CPU jsou standardně vybaveny komunikačním rozhraním MPI. Výkonnější procesorové jednotky navíc mají rozhraní Profibus (313C-2DP, 314C-2DP) nebo RS-422, RS-485 (313C-2PtP, 314C-2PtP). Jsou cenově velmi výhodné pro úlohy, které vystačí s příslušným počtem vstupů a výstupů. Jinak k nim lze snadno připojovat další moduly vstupů a výstupů ve stejném rozsahu jako u standardní CPU (viz odst. Spektrum modulů).

Bezpečnostní CPU (F-systémy)

Bezpečnostní systémy se používají všude tam, kde je třeba zajistit co nejvyšší stupeň bezpečnosti obsluhy, výrobního zařízení či okolního prostředí – např. je-li se třeba bez ohledu na náklady vyvarovat nehod a poškození zdraví či životního prostředí v důsledku poruchy. Uživatel může vytvářet bezpečnostní řídicí systémy v centrálním i distribuovaném provedení. Hlavním znakem je spojení standardní provozní automatizace a bezpečnostní techniky do jediného systému. To znamená, že po síti Profibus-DP zde mezi centrálním řídicím systémem a distribuovanými moduly I/O probíhá nejen „běžná“ komunikace, ale také bezpečnostně orientovaná komunikace (použití profilu Profisafe) a není nutná žádná samostatná bezpečnostní komunikační linka. Toto spojení standardní a bezpečnostně orientované automatizace značně snižuje výdaje na moderní zabezpečené provozy. V současné době nabízí firma Siemens dva typy bezpečnostních CPU, a to 315F-2DP a 317F-2DP. Jejich vynikající parametry poskytují uživateli velmi výkonné CPU pro bezpečnostní aplikace střední třídy. Bezpečnostně orientovaný program se vytváří ve standardních programovacích jazycích reléových schémat (LD) a funkčních bloků (FBD) podle IEC 611131-3 při použití certifikovaných příkladů, které jsou k dispozici ve speciální tzv. F-knihovně. Pro decentralizované struktury jsou k dispozici bezpečnostní komponenty z řad ET 200S a ET 200M.

Technologické CPU

V technologické CPU 317T-2 DP jsou přímo začleněny výkonné technologické funkce a funkce pro řízení pohybu. Je navržena pro dynamické řízení pohybu v několika osách současně. Předprogramované funkce pro řízení pohybu podle standardu vydaného organizací PLCopen, integrované I/O, izochronní režim sběrnice Profibus-DP – to vše přispívá k pohodlnému a flexibilnímu řízení pohybu současně v několika osách (např. nastavování polohy, synchronizace a spínání s použitím vaček). Osy lze snadno konfigurovat a parametrizovat ve vývojovém prostředí STEP 7.

Kompletní přístroje (Simatic C7)

Kategorie kompletních přístrojů představuje z technického i cenového hlediska ideální spojení řídicího systému a jeho operátorského rozhraní. Jednotlivé typy CPU jsou doplněny (vedle analogových a digitálních I/O) textovými nebo grafickými displeji s vynikající zobrazovací schopností a dlouhou dobou života. Řídicí systém se ovládá prostřednictvím membránové klávesnice nebo dotykové obrazovky (podle typu). Výkonnost jednotlivých typů je opět odstupňována tak, aby bylo možné snadno najít odpovídající typ. Právě nyní jsou k dispozici produkty s označením C7-613, C7-635 a C7-636. Tyto jednotky lze dále rozšířit o standardní I/O moduly řady S7-300, a to hned několika způsoby.

Obr. 2.

Obr. 2. Řídicí systém na bázi PLC Simatic S7-400 s distribuovanými moduly I/O

Kompletní přístroje se vyznačují především malou montážní hloubkou. Nacházejí uplatnění všude tam, kde je nutné integrovat řídicí systém i ovládání do co nejmenšího prostoru (typicky na stroji).

Simatic S7-400

Průmyslový řídicí systém Simatic S7-400 (obr. 2) je určen především pro náročnější automatizační úlohy velkého rozsahu. Jeho doménou jsou zejména velké výrobní celky navazující na celopodnikové řízení zdrojů a systémy pro sběr, archivaci a zpracování technologických dat, jež jsou typické např. pro energetiku, farmacii, chemii, potravinářský průmysl apod. Nižší řady PLC (S7-300; C7; S7-200) předčí svou modularitou a výkonností.

Řada S7-400, v loňském roce kompletně inovovaná, obsahuje sedm výkonnostně odstupňovaných CPU, nabízejících velký výpočetní výkon s velmi krátkou dobou zpracování instrukcí a podstatně rozšířenou pracovní pamětí (až 20 MB u CPU 417). Pro úlohy vyžadující větší spolehlivost (redundantní provedení) a průmyslovou bezpečnost v souladu s mezinárodními bezpečnostními standardy lze využít i speciální varianty založené na standardních PLC (tzv. H a F systémy). Obecnými charakteristickými vlastnostmi systémů řady S7-400 jsou především:

  • multicomputing – tj. provoz více než jedné CPU v centralizované konfiguraci řídicího systému; výhod je několik, např. možnost rozdělit výkon podle technických funkcí, jako jsou řízení, početní operace nebo komunikace, které lze tímto způsobem navzájem oddělit a přiřadit je samostatným CPU; každá z těchto CPU může mít dále připojeny vlastní lokální I/O a může zpracovávat vlastní program, nebo je možné jednu CPU vyčlenit na zpracování časově kritických úloh, jinou na běžné úlohy apod.; v režimu multicomputing pracují všechny CPU jako jedna CPU, tzn. jestliže se jedna CPU zastaví, zastaví se současně i všechny ostatní. Synchronizační funkce umožňují koordinovat všechny činnosti „rozdělené“ CPU pro každou instrukci zvlášť;

  • izochronní režim – tj. stručně řečeno časová synchronizace procesoru a vzdálených periferií po sběrnici Profibus; díky přesnému taktování lze spolehlivě obsluhovat i rychlé procesy; pro úlohy z oblasti řízení pohybu, měření a regulace je k dispozici řada komponent, které izochronní režim podporují;

  • možnost změny konfigurace za chodu (CiR) – tj. možnost výměny modulů či změna jejich parametrů za provozu systému; díky této systémové funkci lze bez jakýchkoliv negativních dopadů na provozované technologické zařízení za plného provozu připojit nové senzory či akční členy. Není-li třeba provoz a výrobní zařízení zastavovat a poté znovu spouštět pokaždé, když se mění hardware, je možné velmi pružně reagovat na změny v procesu a velmi snadno jej různým způsobem optimalizovat. Značně se tak zkracuje doba potřebná k vykonání servisního zásahu a klesají náklady spojené s přerušením výroby. Distribuované sestavy I/O (tzv. slaves, řízené jednotky na sběrnici Profibus-DP, popř. Profibus-PA) i jednotlivé moduly I/O v systémech ET 200M lze přidávat a odebírat a přiřazovat jim nové parametry (např. vybrat jiné hranice přerušení apod.).

Spektrum modulů

Díky úplné řadě nejrůznějších funkčních modulů lze řídicí systémy Simatic S7-300 a S7-400 v maximálně možné míře přizpůsobovat širokému spektru aplikací (obr. 2). K dispozici jsou:

  • signálové moduly (SM), tj. digitální a analogové moduly I/O pro téměř všechny typy signálů s diagnostickými i hardwarovými přerušeními, s označením Ex určené k použití v prostředí s nebezpečím výbuchu a další,

  • funkční moduly (FM) se specifickými funkcemi, které zpracovávají náročné a komplexní úlohy nezávisle na CPU, jsou určeny např. pro rychlé čítání, měření frekvence, všechny druhy funkcí spjatých s nastavováním polohy, PID a vačkové regulace atd.,

  • komunikační moduly (CP) pro přenosy dat z bodu do bodu (PtP – Point to Point) nebo po sběrnicích AS-Interface, Profibus a Industrial Ethernet (také s funkcemi jako e-mailový klient, FTP server a webový server),

  • zdroje (PS) 24 V DC pro napájení

  • připojovací moduly (IM) pro rozšíření konfigurace Simatic S7-400/300 do víceřadých centralizovaných uspořádání.

Simatic WinAC

Software Simatic WinAC doplňuje klasické programovatelné automaty řízením na bázi počítačů standardu PC. Je ideálním řešením v případech, kdy je do společné základny tvořené PC třeba soustředit řízení, komunikaci, vizualizaci i zpracování dat. Umožňuje využít obrovský výpočetní výkon nejnovějších PC. Velikost uživatelských programů je, vlivem využití paměti daného PC, téměř neomezená. Díky otevřeným a výkonným rozhraním je systém Simatic WinAC ideální platformou pro „zakázkové“ řešení automatizačních úloh. Jako charakteristické vlastnosti systému lze uvést:

  • práce na standardních PC pod operačním systémem Windows,

  • kompatibilita s řadou Simatic S7 (programuje se stejnými nástroji a program vytvořený pro Simatic S7 může být použit i pro WinAC) a standardní rozhraní pro snadné připojení do oblasti informační techniky,

  • otevřené rozhraní pro integraci specifického hardwaru a softwaru,

  • systém je optimalizován pro řešení následujících úloh: zpracování dat, komunikace, vizualizace a řízení výroby na jednom výkonném PC, zpracování velkých objemů dat, specifické technologické úlohy v těsné spolupráci s řízením, napojení speciálních hardwarových a softwarových modulů.

Systém Simatic WinAC je k dispozici ve dvou verzích:

  • Simatic WinAC Software PLC,
  • Simatic WinAC Slot PLC.
Obr. 3.

Obr. 3. Simatic WinAC Software PLC verze 4.1 pro operační systém Windows

Zatímco systém WinAC Slot PLC konstrukčně vychází z S7-400 a při použití externího napájení může být provozován zcela nezávisle na PC (hardwarem jsou zásuvné karty do slotu sběrnice PCI v PC), WinAC Software PLC (obr. 3) je standardní aplikační program pro prostředí aplikací Windows. WinAC Software PLC lze dále rozšířit o modul reálného času, zajišťující přísně deterministické chování systému.

Programování

STEP 7 Professional

Pod označením STEP 7 Professional nabízí firma Siemens programovací a konfigurační software určený pro skutečně profesionální použití, podporující uživatele ve všech fázích vývoje projektu. Prostředí STEP 7 Professional včetně všech svých programovacích jazyků odpovídá mezinárodnímu standardu IEC 61131-3; tím podporuje všeobecnou standardizaci a pomáhá uspořit náklady na tvorbu projektu využitím zavedeného „know-how„. Se zmíněným softwarem je možné programovat řídicí systémy založené na PLC, tj. Simatic S7 a C7, i řídicí systémy založené na PC, tj. WinAC.

STEP 7 Professional se skládá z těchto částí:

  • STEP 7 včetně již zavedených a známých programovacích jazyků reléových schémat (LD), funkčních boků (FBD) a mnemokódů (IL),

  • S7-GRAPH pro grafické programování algoritmů sekvenčního řízení: díky standardizovanému uživatelskému rozhraní (IEC 61131-3, DIN EN 61131) lze sekvence programovat a parametrizovat rychle a jednoznačně,

  • S7-SCL, vyšší programovací jazyk vycházející z jazyka Pascal a odpovídající strukturovanému textu (ST) podle DIN EN/IEC 61131-3, vhodný spíše pro rozsáhlejší algoritmy s matematickými funkcemi nebo úlohy zpracování dat,

  • S7-PLCSIM, simulační software sloužící k testování a tvorbě uživatelských programů na programovacích zařízeních (Programmier Geräte – PG) nebo PC bez nutnosti připojení na řídicí systém instalovaný v provozu; doplněk velmi užitečný pro každého vývojáře.

STEP 7

Nástroj STEP 7 je základní software pro konfigurování a programování řídicích systémů Simatic. Obsahuje výkonné nástroje a funkce pro podporu mnoha úloh spjatých s automatizačními projekty. Nabízí uživatelsky příjemný způsob práce ve všech fázích vývoje projektu, jakými jsou obvykle zkonfigurování a parametrizování hardwaru, návrh komunikačních vazeb, programování, testování a oživování projektu, servis, správa dokumentace a archivování, provozní a diagnostické funkce. Centrálním nástrojem STEP 7 je Simatic Manager, který zajišťuje kompletní správu a konzistenci veškerých dat používaných v projektu.

STEP 7 Lite

Nástroj STEP 7 Lite je cenově výhodný software (cena 50 eur) pro jednoduchou a nenáročnou realizaci nesíťových řešení. Je navržen tak, aby ho uživatel velmi snadno a rychle ovládl a ihned mohl použít pro všechny fáze projektu. Může být vhodným řešením pro uživatele, kteří se s PLC řady Simatic setkávají poprvé (úvodní školení, studenti apod.). Vhodným pomocníkem může být i při přechodu z produktů Simatic S7-200. Na rozdíl od vyšších verzí STEP 7 Lite nepodporuje komunikaci mezi řídicími systémy ani použití komunikačních (Communication Processor – CP) a funkčních (Function Modul – FM) modulů (viz odstavec Spektrum modulů). Dále zde nelze využít další programovací jazyky (např. SCL) a technologicky orientované inženýrské nástroje. K těmto účelům je třeba používat STEP 7 či STEP 7 Professional. Ve STEP 7 Lite lze využívat pouze programové balíky S7-PLCSIM (simulace off-line uživatelských programů přímo na PG či PC) a TeleService (vzdálená správa automatizačních systémů Simatic S7/C7 prostřednictvím pevné či rádiové sítě). Program vytvořený ve STEP 7 Lite lze dále zpracovávat v prostředí STEP 7.

Inženýrské nástroje (E-SW)

Využitím doplňkových aplikačně orientovaných programových sad dodávaných podle požadavku zákazníka lze v programování automatizačních řešení získat další možnosti. Jejich výčet je uveden v tab. 1. Například nástroj TeleService, určený pro správu řídicích systémů Simatic S7/C7/WinAC prostřednictvím pevné či rádiové sítě, představuje velmi perspektivní a žádaný doplněk moderních automatizačních projektů, jenž je schopen díky propracovaným a komfortním možnostem přístupu k technologickému zařízení na dálku dosti výrazně spořit servisní náklady.

Tab. 1. Doplňkové a speciální (runtime) softwarové nástroje pro řídicí systémy Simatic

Inženýrské nástroje (E-SW)

Runtime software (R-SW)

S7-SCL
S7-GRAPH
S7-HiGraph
CFC
S7-PDIAG
S7-PLCSIM
TeleService
DOCPRO
Simatic iMap
S7 technology
Drive ES
Distributed Safety
Standard PID Control
Modular PID Control
PID Self Tuner
Fuzzy control
NeuroSystems
Loadable drivers for CP 441-2 a CP341
Software Redundancy
PRODAVE MPI
Easy Motion Control

Podrobnější popis uvedených nástrojů překračuje rámec tohoto přehledového článku. Další informace a kompletní výčet lze nalézt v katalogu nebo v další firemní literatuře na adrese http://www.siemens.cz/as

Runtime software (R-SW)

Jde o speciální nástroje volané přímo uživatelským programem. Podrobné informace lze rovněž nalézt v katalogu nebo v další firemní literatuře na adrese http://www.siemens.cz/as

Diagnostika

Inteligentní diagnostický systém procesorových jednotek průběžně monitoruje funkceschopnost procesorů a celého systému, registruje chyby a všechny specifické události v systému; umožňuje také definovat speciální diagnostická hlášení. Diagnostické funkce dokážou rozpoznávat, zda se příslušný signál vyhodnotí (u digitálních modulů), nebo zda funkce zpracovávající analogové veličiny (u analogových modulů) pracují tak, jak mají. V případě výskytu diagnostické události (např. převodník bez napájení) modul spustí diagnostické přerušení. Procesorová jednotka pak přeruší zpracovávání uživatelského programu a vykonává blok příslušného diagnostického přerušení. Tak zvané procesní přerušení znamená, že signály z technologického zařízení lze monitorovat a poté spouštět příslušné reakce na změny v těchto signálech. Integrace výkonné a propracované diagnostiky zajišťuje lepší využití řídicího systému. Konfigurovatelné diagnostické funkce zkracují prostoje a dále tak zvyšují produktivitu výroby.

Závěr

Všechny komponenty řídicích systémů Simatic jsou navrženy tak, aby jejich uvedení do provozu bylo co nejjednodušší a aby je bylo možné snadno začlenit i do dosavadního řešení. Stejně jako ostatní produkty firmy Siemens jsou i řídicí systémy, jak jsou v článku popsány, nedílnou součástí koncepce plně integrované automatizace (Totally Integrated Automation – TIA), která zjednodušuje integraci a spolupráci jednotlivých produktů. Při konfigurování a parametrizaci jednotlivých produktů a definování jejich spolupráce (komunikace) jsou využívány společné databáze a objekty, které umožňují přehledně a jednotným způsobem udržovat veškerá data související s daným projektem. Spolu s vysokou kvalitou a špičkovými technickými vlastnostmi svých výrobků nabízí firma Siemens i celosvětovou technickou podporu a servis.

Rostislav Kosek, Siemens s. r. o.

Siemens s. r. o., divize Automatizace a pohony
Evropská 33a
160 00 Praha 6
tel.: 233 032 411
fax: 233 032 492
e-mail: ad.prodej@rg.siemens.cz
http://www.siemens.cz/ad