Podstawowe wiadomości
------------------------------------------------

Spis treści:

1. Podstawowe wiadomości dotyczące sterowników SIMATIC S7-200
2. Porównanie podstawowych danych technicznych sterowników
3. Zasada działania
4. Opis wskaźników stanu
5. Numeracja wejść/wyjść sterownika
6. Wejścia i wyjścia dyskretne
7. Wejścia i wyjścia analogowe
8. Sposób podłączenia obwodów wejściowych i wyjściowych sterownika
9. Panel operatorski TD 200
10. Odsyłacze do stron związnych z tematem sterowników S7-200

1. Podstawowe wiadomości dotyczące sterowników SIMATIC S7-200

Simatic S7-200 firmy Siemens jest nazwą nowej rodziny sterowników programowalnych (PLC = ang. programmable logic controller) zaprojektowanych do realizacji małych i średnich zadań sterowania automatycznego. Dzięki temu istnieje możliwość łatwego i masowego wprowadzania nowoczesnych układów kontroli do najprostszych maszyn czy linii technologicznych. Charakteryzują się one małymi wymiarami, zwartą budową oraz potężnym zestawem instrukcji. Koncepcja ich budowy oparta jest na sprawdzonej strukturze sterowników przemysłowych SIMATIC S5.
Głównym elementem każdego sterownika jest tzw. centralna jednostka przetwarzająca (CPU = ang. central processing unit) nadzorująca pracą sterownika. Rodzaj użytej jednostki centralnej stanowi podstawę podziału sterowników S7.
Jednostka centralna jest na ogół projektowana jako układ wieloprocesorowy, w którym w zależności od potrzeb pracuje od jednego do kilku mikroprocesorów.
Pamięć w sterowniku jest potrzebna do zapamiętania programu, który ma być wykonywany oraz do przechowywania informacji pośrednich powstających w trakcie wykonywania programu. Do przechowywania programu są stosowane pamięci RAM, EPROM oraz EEPROM. Do przechowywania informacji używane są tylko pamięci RAM. Oprogramowanie sterowników binarnych zostało opracowane tak, aby umożliwiło pisanie programów osobą nie posiadających specjalnego wykształcenia.

2. Porównanie podstawowych danych technicznych sterowników

wykonanie CPU 212 CPU 221 CPU 222
pamięć programu 1KB 4KB 4KB
pamięć danych 1KB 2KB 2KB
moduł pamięci
(wtykany, opcjonalnie)
- 1;
zawartość identyczna w zintegrowanym EEPROM
1;
zawartość identyczna w zintegrowanym EEPROM
program cały program nie wymagający obsługi w zintegrowanym EEPROM cały program nie wymagający obsługi w zintegrowanym EEPROM cały program nie wymagający obsługi w zintegrowanym EEPROM
dane nie wymagające obsługi (bez opcjonalnej baterii całe załadowane z PG/PC DB1 nie wymagające obsługi w zintegrowanym EEPROM całe załadowane z PG/PC DB1 nie wymagające obsługi w zintegrowanym EEPROM
  200 B (DB1) na zintegrowanym EEPROM
dane znaczniki itd. buforowane poprzez wysokopojemnościowy kondensator
aktualne wartości DB1 w RAM, znaczniki, liczniki, bloki czasowe itd. nie wymagające obsługi poprzez wysokopojemnościowy kondensator;
bateria do długotrwałego buforowania opcjonalnie
aktualne wartości DB1 w RAM, znaczniki, liczniki, bloki czasowe itd. nie wymagające obsługi poprzez wysokopojemnościowy kondensator;
bateria do długotrwałego buforowania opcjonalnie
czas wykonania polecenia binarnego 1,2us 0,37us 0,37us
znaczniki (B) 128 256 256
podtrzymanie przez wysokopojemnościowy kondensator lub baterię 0-127 (ustawialne) 0-112 w EEPROM ;
0-255 (ustawialne)
0-112w EEPROM;
0-255 (ustawialne)
liczba liczników 64 256 256
podtrzymanie przez wysokopojemnosciowy kondensator lub baterię 0-63 0-256 0-256
zakres zliczania 0-32767 0-32767 0-32767
liczba bloków czasowych 64 256 256
podtrzymanie przez wysokopojemnosciowy kondensator lub baterie 0-32 0-255 0-255
zakres nastawianych czasów 4 bloki czasowe, 1ms do 30s;
16 bloków czasowych 10ms do 5min;
236 bloków czasowych 100ms do 54min
4 bloki czasowe, 1ms do 30s;
16 bloków czasowych 10ms do 5min;
236 bloków czasowych 100ms do 54min
4 bloki czasowe, 1ms do 30s;
16 bloków czasowych 10ms do 5min;
236 bloków czasowych 100ms do 54min
zintegrowane funkcje 1 wejście alarmowe;
1 licznik (2kHz)
4 wejścia alarmowe;
4 szybkie liczniki (30kHz);
2 szybkie wyjścia impulsowe (20kHz)
4 wejścia alarmowe;
4 szybkie liczniki (30kHz);
2 szybkie wyjścia impulsowe (20kHz)
zintegrowane złącza PPI/swobodnie programowalne (FREEPORT) PPI/MPI
(Slave/swobodnie programowalne (FREEPORT))
PPI/MPI
(Slave/swobodnie programowalne (FREEPORT))
we/wy cyfrowe max. 40 wejść i 38 wyjść (łącznie ze zintegrowanymi);
max 78
max. 6 wyjść i 4 wejścia (zintegrowane) max 24 wejścia i 22 wyjścia (łącznie ze zintegrowanymi) max. 46, większa rozbudowa w przygotowaniu
we/wy analogowe 6 wejść i/lub 4 wyjścia;
w sumie max. 8
- 6 wejść i/lub 4 wyjścia;
w sumie max. 8
wejścia cyfrowe zintegrowane 8 6 8
wyjścia cyfrowe zintegrowane 6 4 6
liczba dopuszczalnych modułów rozszerzeniowych max. 2 (seri S7-21x);
cyfrowe i analogowe
- 2 (seri S7-22x);
cyfrowe i analogowe

Rys.2.1. Podstawowe dane techniczne sterowników

3. Zasada działania

Sterowniki PLC zbudowane są z jednostki centralnej CPU, modułów wejściowych i modułów wyjściowych.
Wejścia przetwarzają sygnały cyfrowe lub analogowe, pochodzące z urządzeń (czujników), do postaci sygnałów logicznych, które stają się zrozumiałe dla CPU.
CPU podejmuje decyzje i wykonuje funkcje sterowania bazując na instrukcjach programowych zawartych w pamięci.
Moduły wyjściowe przetwarzają funkcje sterowania z CPU do takiej postaci sygnałów (cyfrowych lub analogowych), które mogą być następnie użyte do sterowania rozmaitych urządzeń (elementów wykonawczych). Instrukcje programowe określają co powinien wykonać PLC przy określonyrn stanie wejść.

Rys.3.1. Budowa sterownika programowalnego

3.1. Wejścia i wyjścia PLC akceptują różne sygnały: wejścia (I)i wyjścia(Q) cyfrowe rozróżniają stan logicznej jedynki i logicznego zera, wejścia analogowe(AIW) sygnały ciągłe o parametrach: dla prądu 0..20 mA, dla napięcia 0..10V, wyjścia analogowe (AQW) sygnały ciągłe napięciowe o parametrach: 0..10V.
W przypadku sterownika S7-212 sygnały analogowe podłącza się poprzez analogowe moduły rozszerzające.

3.2. Jednostka centralna sterownika programowalnego (CPU) to system mikroprocesorowy, który zawiera pamięć systemową oraz podejmuje decyzje określające działanie sterownika. CPU monitoruje wejścia i podejmuje decyzje w oparciu o instrukcje zapisane w pamięci programu. CPU odpowiada za realizację wszystkich procesów sterowania: przełączania, zliczania, synchronizację i porównanie danych oraz operacje sekwencyjne.

3.3. W sterowniku SIMATIC S7-200 wyróżnić można dwa rodzaje pamięci:
RAM, w której dokonywane są bieżące obliczenia, a której zawartość jest kasowana po odłączeniu zasilania. W zależności od zastosowanego modułu CPU istnieje możliwość podtrzymania jej zawartości do kilku dni; może też być opcjonalnie zastosowane podtrzymanie bateryjne
EEPROM, która służy do stałego przechowywania programu, wybranych danych oraz danych konfiguracyjnych.
Pamięć S7-212 podzielona jest na trzy obszary: pamięć programu, pamięć danych oraz pamięć znaczników.
Pamięć programu przechowuje program zapisany w postaci schematów drabinkowych (LAD) lub listy instrukcji (STL); ten obszar pamięci steruje sposobem wykorzystywania danych i stanów wejść/wyjść.
Pamięć danych wykorzystywana jest jako obszar roboczy oraz zawiera obszary dla obliczeń, chwilowego przechowywania wyników pośrednich i stałych; pamięć danych zawiera obszary dla obsługi liczników czasu, liczników zdarzeń oraz wejść i wyjść analogowych, a dostęp do przestrzeni danych jest możliwy z poziomu programu sterującego.
Pamięć znaczników przechowuje stany pośrednie obwodów sterowniczych i dzieli się ona na pamięć V i M.

Rys.3.2. Podział pamięci RAM i EEPROM.

Pamięć EEPROM zawiera ponadto oprogramowanie systemowe, które jest oprogramowaniem użytkowym dostarczanym wraz ze sprzętem. Nadaje ono sterownikowi jego podstawową funkcjonalność. Zawiera m.in. informacje dotyczące specjalnych bitów pamięci (SMB-Special Memory Bits), których funkcje są z góry określone. SMB służą np. do inicjalizowania trybu pracy swobodnego portu lub związane są z obsługą przerwań. Część z nich nie posiada konkretnie określonego zadania ale np. związana jest ściśle z tzw. cyklem skanowania. Do takiej grupy należą bity SM0.x.

SM bity opis
SM0.0 ten bit jest zawsze włączony.
SM0.1 bit ten jest włączony jedynie w czasie pierwszego skanowania. może służyć do wywoływania podprogramu inicjalizującego.
SM0.2 bit ten jest włączony na przeciąg jednego skanowania gdyby zapamiętane dane zostały utracone.
SM0.3 bit ten jest włączony na przeciąg jednego skanowania gdy tryb run został zainicjowany w po włączeniu zasilania.
SM0.4 bit ten jest załączany i wyłączany co 30 sekund.
SM0.5 bit ten jest załączany i wyłączany co 0.5 sekundy.
SM0.6 bit ten jest przełączany co jeden cykl skanowania.
SM0.7 bit ten określa położenie przełącznika trybu pracy (wyłączony w położeniu term, włączony w położeniu run)

3.4. Ładowanie programu do pamięci.
Program wgrywany z programatora do sterownika składa się z trzech części: Program Code Block zawiera program, który będzie wykonywany przez sterownik, Data Block zawiera początkowe wartości, które będą użyte w programie, CPU Configuration zawiera informacje dotyczące m.in. szybkości transmisji danych, założonego hasła,
W momencie przegrywania elementy te są ładowane do pamięci RAM, a następnie automatycznie kopiowane do stałej pamięci EEPROM. Automatycznie kopiowane są również dane z pamięci V i M w momencie zaniku zasilania

Rys.3.3. Ładowanie programu do pamięci sterownika.

3.5. Sprzęt potrzebny do stworzenia programu.
- Oprogramowanie.
Oprogramowanie narzędziowe służy do realizacji programowego opisu zasady działania programowanego urządzenia. Oprogramowanie dla sterownika S7-212 nosi nazwę STEP7-Micro. Jest ono dostępne w wersji dla systemu operacyjnego DOS oraz dla systemu operacyjnego Windows (STEP7-Micro/WIN). Wersja ta opisana jest w następnym rozdziale.
- Programator.
Jako programator sterowników SIMATIC S7-212 wykorzystywany jest komputer osobisty (PC) z zainstalowanym oprogramowaniem STEP7-Micro/WIN. Program może być również tworzony lub modyfikowany za pomocą ręcznego programatora PG702 lub programatorów uniwersalnych typu PG720 lub PG740.
- Kabel połączeniowy.
Kable połączeniowe wymagane są do transmisji danych z programatora do PLC. Komunikacja może mieć miejsce tylko wtedy gdy dwa urządzenia używają tego samego protokołu przesyłu informacji. Komunikacja pomiędzy programatorem a sterownikiem firmy S7-212 nazywana jest protokołem PPI (punkt-do-punktu). Kiedy jako programator używany jest komputer osobisty konieczny jest specjalny kabel PC/PPI. Kabel ten umożliwia komunikację pomiędzy szeregowym interfejsem sterownika a szeregowym interfejsem RS-232 komputera osobistego. Przełączniki DIP na kablu PC/PPI są używane do wybrania odpowiedniej szybkości (prędkości transmisji) z jaką są przekazywane informacje pomiędzy sterownikiem a komputerem.

4. Opis wskaźników stanu

Wskaźniki stanu, umieszczone na płycie czołowej sterownika, wskazują aktualny tryb pracy jednostki CPU oraz aktualny stan wejść/wyjść:

Rys.3.4. Wskaźniki stanu.

Sterownik może znajdować się w dwóch trybach pracy: START lub STOP, które mogą być wybierane przy użyciu trójpołożeniowego przełącznika STOP/TERM/RUN umieszczonego pod przykrywką sterownika. Wyboru trybu pracy można też dokonać przy użyciu programatora, gdy przełącznik znajduje się w położeniu TERM, gdyż tylko wtedy występuje proces komunikacji między PLC, a programatorem. Ustawienie przełącznika w pozycję RUN lub STOP powoduje to, iż po wyłączeniu i ponownym załączeniu zasilania sterownik nie zmienia trybu pracy. Ponadto tryb pracy STOP jest automatycznie wybierany po ponownym zasileniu sterownika, gdy przełącznik był w pozycji TERM.

W trybie pracy STOP można:
- ładować program sterujący do pamięci sterownika,
- przeglądać i zmieniać zawartość rejestrów wewnętrznych sterownika,
- zmieniać parametry konfiguracyjne sterownika.

W trybie pracy RUN, gdy wykonywany jest program sterujący, nie można dokonać próby ładowania programu do sterownika.

5. Numeracja wejść/wyjść sterownika

Wybierając w programie sterującym określone wejście (I) lub wyjście (Q) sterownika należy podać numer identyfikacyjny (I/O) określający jednocześnie adres w pamięci wewnętrznej CPU.
W poniższej tabeli przedstawiono sposób adresowania wejść i wyjść dla sterowników S7-200 z CPU 222 i 214:

numer wejścia/wyjścia CPU - 222   CPU - 214  
  wejście wyjście wejście wyjście
pierwsze I0.0 Q0.0 I0.0 Q0.0
drugie I0.1 Q0.1 I0.1 Q0.1
trzecie I0.2 Q0.2 I0.2 Q0.2
czwarte I0.3 Q0.3 I0.3 Q0.3
piąte I0.4 Q0.4 I0.4 Q0.4
szóste I0.5 Q0.5 I0.5 Q0.5
siódme I0.6   I0.6 Q0.6
ósme I0.7   I0.7 Q0.7
      I1.0 Q1.0
      I1.1 Q1.1
      I1.2  
      I1.3  
      I1.4  
      I1.5  
adresy wyjść do wykorzystania jako zmienne wewnętrzne (bity)
    Q0.6   Q1.2
    Q0.7   Q1.3
        Q1.4
        Q1.5
        Q1.6
        Q1.7

Rys.5.1. Numeracja wejść/wyjść sterownika.

6. Wejścia i wyjścia dyskretne

Wejście dyskretne, nazywane także jako wejście cyfrowe, może znajdować się zarówno w stanie załączonym -ON lub wyłączonym -OFF. Przyciski, przełączniki dwustanowe, wyłączniki krańcowe oraz czujniki zbliżeniowe są przykładami czujników dyskretnych, które podłączone są do dyskretnych (cyfrowych) wejść sterowników. W stanie załączenia -ON dyskretne wejście odpowiada logicznej jedynce lub stanowi wysokiemu. W stanie wyłączenia -OFF dyskretne wejście odpowiada logicznemu zeru lub stanowi niskiemu.

Rys.6.1. Wejścia dyskretne.


Wyjście dyskretne może być w stanie załączenia -ON lub wyłączenia -OFF. Cewki przekaźników oraz lampki są przykładami urządzeń wykonawczych podłączanych do wyjść dyskretnych. Wyjścia dyskretne mogą być również nazywane wyjściami cyfrowymi. W poniższym przykładzie, lampka kontrolna może być załączana lub wyłączana przez wyjście PLC, do którego jest ona podłączona.

Rys.6.2. Wyjście dyskretne.

6.1. Numeracja dyskretnych wejść/wyjść sterownika

Wybierając w programie sterującym określone wejście (I) lub wyjście (Q) sterownika należy podać numer identyfikacyjny (I/O) określający jednocześnie adres w pamięci wewnętrznej CPU. W poniższej tabeli przedstawiono sposób adresowania wejść i wyjść dla sterowników S7-200 z CPU 222 i 214:

numer wejścia/wyjścia CPU - 222   CPU - 214  
  wejście wyjście wejście wyjście
pierwsze I0.0 Q0.0 I0.0 Q0.0
drugie I0.1 Q0.1 I0.1 Q0.1
trzecie I0.2 Q0.2 I0.2 Q0.2
czwarte I0.3 Q0.3 I0.3 Q0.3
piąte I0.4 Q0.4 I0.4 Q0.4
szóste I0.5 Q0.5 I0.5 Q0.5
siódme I0.6   I0.6 Q0.6
ósme I0.7   I0.7 Q0.7
dziewiąte     I1.0 Q1.0
dziesiąte     I1.1 Q1.1
jedenaste     I1.2  
dwunaste     I1.3  
trzynaste     I1.4  
czternaste     I1.5  

Rys.6.1.1. Numeracja dyskretnych wejść/wyjść sterownika.

7. Wejścia i wyjścia analogowe

Sterowniki programowalne PLC obsługują także ciągłe sygnały analogowe. Typowe sygnały analogowe mieszczą się w zakresach 0-10 VDC lub 4-20 mA. Sygnały analogowe używane są do przedstawiania zmieniających się wartości takich jak prędkość, temperatura, ciężar i poziom. CPU nie analizuje tych sygnałów w postaci analogowej. PLC przekształca sygnał analogowy do postaci cyfrowej. Wartości cyfrowe transmitowane są z modułu analogowego do CPU do dalszego wykorzystania w programie. W serii S7-200 dostępne są dwa analogowe moduły rozszerzające. Moduł wejść analogowych EM 231 posiada 3 wejścia analogowe. Moduł mieszany EM 235 posiada 3 wejścia analogowe oraz 1 wyjście analogowe .

Rys.7.1. Moduł mieszany EM 235

Rys.7.2. Zakresy sygnałów wejściowych i wyjściowych dla modułów analogowych.

ilość wejść 4, differential
zakres wejść 0 do 50 mV
0 do 100 mV
0 do 500 mV
0 do 1 V
0 do 5 V
0 do 10 V
0 do 20 mA
+/-25 mV
+/-50 mV
+/-100 mV
+/-250 mV
+/-500 mV
+/-1 V
+/-2,5 V
+/-5 V
+/-10 V
charakterystyka liniowa nie
kompensacja temperaturowa nie
ilość wyjść 1
napięcie -10 do +10 V
prąd 0 do 20 mA
pobór mocy 2.0 W
wymiary (W x H x D) w mm 120.5 x 80 x 62
waga 186 g

Rys.7.3. Dane katalogowe EM 235 - modułu wejść/wyjść analogowych dla S7-200.

8. Sposób podłączenia obwodów wejściowych i wyjściowych sterownika

Do przeprowadzenia testów działania danego programu wystarczy podłączyć przewodami do wejść sterownika przełączniki w liczbie odpowiadającej ilości wejść.

Rys.8.1. Sposób podłączenia 8 przełączników wykorzystujących wewnętrzny zasilacz sterownika (S7-200 z CPU 212):

Rys.8.2. Sposób podłączenia fabrycznego symulatora wejść (SIM 274 dla CPU 212)

Rys.8.3. Sposób podłączenia obwodów zewnętrznych pod listwy zaciskowe sterownika S7-200 z CPU 212

Rys.8.4. Sposób podłączenia obwodów zewnętrznych pod listwy zaciskowe sterownika S7-200 z CPU 214

Rys.8.5. Sposób podłączenia obwodów zewnętrznych pod listwy zaciskowe sterownika S7-200 z CPU 222

9. Panel operatorski TD 200

Rys.9.1. Panel operatorski TD 200

Panel operatorski TD 200 jest urządzeniem służącym do wyświetlania wiadomości tekstowych oraz wpisywania parametrów wejściowych. TD 200 jest połączony ze sterownikiem S7 200 specjalnym przewodem TD/CPU 200 który jest na wyposażeniu TD 200.

Rys.9.2. Połączenie Panela TD 200 z sterownikiem S7 200

W pamięci TD 200 znajdują się parametry operacyjne takie jak:
- adres TD 200
- adres CPU 200
- prędkość transmisji
Parametry konfiguracyjne TD 200 oraz dane przeznaczone do wyświetlania znajdują się w pamięci danych sterownika S7 200.
Do konfiguracji i programowania służy kreator TD200, który znajduje się w programie Step 7-Micro/WIN32.

9.1. Kreator konfiguracji TD 200

Kreator TD 200 pozwala na łatwe i szybkie programowanie parametrów panela TD200. Program ten automatycznie wpisuje wiadomości tekstowe do bloku danych. Po zakończeniu programowania sprawdza poprawność wpisanych parametrów. Blok danych może być wtedy załadowany do sterownika.
W celu wpisania parametrów i wiadomości tekstowych należy wykonać następujące kroki:
- Wybrać z menu Tools/TD 200 Wizard
- Do nawigacji po poszczególnych okienkach programu służą przyciski "Next" i "Prev".
- Jeżeli dojdziemy do ostatniego okienka należy nacisnąć przycisk "Finish" przez co zapamiętamy wprowadzone parametry w bloku danych.
- Możemy podglądać wprowadzone dane przez otwarcie edytora bloku danych.
- Kiedy załadujemy wszystkie bloki do sterownika S7 200, blok danych zawierający parametry i wiadomości tekstowe TD 200 jest zapamiętany w pamięci sterownika, skąd mogą być odczytywane przez panel TD 200

Rys.9.1.1. Wybór TD 200 Wizard w programie Step7 Micro/WIN32

W pierwszym okienku kreatora konfiguracji TD 200 możemy wybrać język który ma być wyświetlany przez panel TD 200 oraz standardowe ustawienia wyświetlania.

Rys.9.1.2. Wybór języka i standardowych ustawień

W okienku następnym możemy wybrać :
- możliwość wyświetlania daty i czasu na panelu TD 200
- możliwość forsowania zmiennych wejściowych i wyjściowych w sterowniku S7 200
- możliwość zablokowania wyświetlanych danych czterocyfrowym hasłem

Rys.9.1.3. Data, zegar, forsowanie zmiennych wej/wyj, hasło

W kolejnym okienku musimy określić:
- adresy w pamięci zarezerwowane dla ośmiu klawiszy funkcyjnych F1-F4 oraz F1-F4 z shiftem. Dla sterownika CPU 212 możemy wybrać adresy o numerach od 0 do15 a dla sterowników CPU 214, CPU 215, CPU 216 adresy o numerach od 0 do 31. - prędkość wyświetlania wiadomości na TD 200.

Rys.9.1.4. Rezerwacja adresów i określanie prędkości wyświetlania

W kolejnym okienku mamy możliwość określenia :
- rozmiar wyświetlanych komunikatów ( 20 lub 40 znaków) - ilość wyświetlanych komunikatów (od 1 do 80)

Rys.9.1.5. Ilość i rozmiar komunikatów

W kolejnym okienku należy zdefiniować:
- miejsce w pamięci danych, gdzie będzie znajdować się 12 bajtów odpowiedzialnych za parametry panela takie jak:
 a) identyfikacja panela
 b) ustawienie języka wyświetlania oraz szybkości wyświetlania danych
 c) ustawienie ilości wyświetlanych znaków
 d) zdenifiowanie klawiszy funkcyjnych
- numer bajtu w bloku danych zarezerwowanego dla flag odpowiedzialnych za komunikaty
- numer bajtu w bloku danych przeznaczonego dla pierwszego komunikatu

Rys.9.1.6. Miejsce bajtów w pamięci danych

W ostatnim okienku możemy zaprogramować komunikaty, które będą wyświetlane przez panel TD200

Rys.9.1.7. Programowanie wyświetlanych komunikatów

10. Odsyłacze do stron związnych z tematem sterowników S7-200

1. www.iee.put.poznan.pl/pwalczak/materialy.html
2. www.stefanbrock.net
3. www.siemens.pl

-------------------------------------------------------------

Następny dział - Programowanie >>