Działanie sterowników S7-200 - podstawy, część1
Nadesłany przez Michał Bereza, Siemens
Rodzina sterowników PLC SIMATIC S7-200 składa się z pięciu jednostek centralnych: CPU221, CPU222, CPU224, CPU226 i CPU226XM. Różnią się one między sobą ilością dostępnej pamięci programu oraz pamięci danych, a także liczbą zintegrowanych  wejść-wyjść  binarnych. Zasada pracy sterownika S7-200 polega na cyklicznym przetwarzaniu programu zapisanego w nieulotnej pamięci programu typu EEPROM. Sterownik ma dwa rodzaje pamięci (rys. 1) wykorzystywanej do przechowywania, przenoszenia i wykonywania programu. Zewnętrzna pamięć EEPROM służy przenoszenia i archiwizacji programów. Program z zewnętrznej pamięci kopiowany jest po załączeniu napięcia zasilającego do wewnętrznej pamięci EEPROM, gdzie jest zapamiętywany i po wyłączeniu zasilania nie ulega zniszczeniu. System operacyjny sterownika po załączeniu zasilania kopiuje program zapisany w wewnętrznej pamięci EEPROM do pamięci RAM sterownika. Wykonywanie programu odbywa się w pamięci RAM. Zarówno zewnętrzna i wewnętrzna pamięć EEPROM oraz pamięć RAM jest podzielona  na  obszary: pamięci  programu, danych  i parametrów, obszar  danych  z podtrzymaniem. Obszar danych z podtrzymaniem jest wykorzystywany do zapamiętywania wartości zdeklarowanych zakresów danych, liczników, zegarów, stanów i wartości zmiennych po zaniku napięcia zasilającego. Podtrzymanie realizowane jest poprzez kondensator o dużej pojemności i małej upływności. Średni czas podtrzymania danych wynosi 50 do 190 godzin. W przypadku potrzeby uzyskania dłuższych czasów podtrzymania zawartości pamięci stosuje się opcjonalną baterię podtrzymującą dane. Średni czas podtrzymania danych wynosi około 200 dni. Obszar pamięci w sterowniku oznaczony jako OBl jest wywoływany cyklicznie przez system operacyjny sterownika,  jak  to pokazano na  rys. 2. Wykonywanie programu w pętli OBl kończy się w momencie natrafienia na instrukcję MEND kończącą wykonywanie programu, po czym system operacyjny zaczyna wykonywać ponownie pierwszą napotkaną instrukcję na początku bloku OBl. W bloku tym mogą znajdować się instrukcje wywołań podprogramów - SBR. Wydzielenie w bloku OBl podprogramów ma na celu taki podział zadań programu, aby można było np. utworzyć osobne programy np. do obsługi przekształtnika częstotliwości, komunikacji poprzez modemy (procedury inicjalizacji, odbioru i nadawania) lub obsługi paneli operatorskich OP. W każdym podprogramie można wywołać kolejny podprogram. Maksymalna głębokość zagnieżdżenia podprogramów wynosi 8. Podprogram kończy się w momencie wystąpienia  instrukcji  powrotu  RET. Oprócz obsługi podprogramów sterowniki S7-200 mogą obsługiwać także przerwania.   Dzielą  się  one  na: procesowe, wywoływane poprzez narastające lub opadające zbocze sygnału doprowadzonego  do wejść  sterownika czasowe,  wywoływane poprzez odmierzenie  przez  wewnętrzne  zegary  określonego czasu, po którym następuje wywołanie   programu obsługi  przerwania. Dostępne są również przerwania od portów komunikacyjnych. Zadaniem tych przerwań jest obsługa danych nadawanych i odbieranych w odpowiednich chwilach czasowych poprzez porty komunikacyjne sterownika. Przerwania mają przydzielone priorytety. Program obsługi przerwania kończy się w momencie wystąpienia instrukcji  RETI. Zarówno podprogramy jak i programy obsługi przerwań po ich zakończeniu przekazują wykonywanie programu do instrukcji następującej po instrukcji wywołującej podprogram lub przerwanie. Odpowiednie adresy powrotów zapamiętywane są na stosie, przy czym za prawidłowe działanie odpowiada system operacyjny sterownika. Oprócz pamięci programu w sterowniku S7-200 przewidziano obszar danych DBl. W obszarze tym zapamiętywane są wartości deklarowanych zmiennych, wyniki operacji matematycznych, wartości inicjalizujące, tabele, parametry. W obszarze tym można zdeklarować zakres zmiennych które będą podtrzymywane po zaniku zasilania. Obszar pamięci danych DBl jest oznaczony literą V (Variable - zmienne). W obszarze DBl można przechowywać dane w dowolnym formacie, np. w postaci bajtu (8 bitów), słowa (16 bitów) lub podwójnego   słowa   (32  bity)   -  rys.   3. Oprócz obszaru DBl, pamięć danych składa się z obszaru danych o dostępie bitowym oznaczonym jako M (Merker -znacznik) oraz obszaru wejść procesu oznaczeniu „E" (Eingange - wejścia) i wyjść procesu A (Ausgange - wyjścia). Do danych można odwoływać się w sposób bezpośredni,  poprzez  jawne  po danie adresu danej np. E3.4 (wejście bajt 3, bit 4) lub w sposób pośredni za pomocą wskaźnika, np. &VW200, gdzie oznaczenie & oznacza wskaźnik do danej VW200. Oprócz obszaru danych DBl, w przestrzeni danych sterownika wydzielono obszar lokalnych danych L. Dane lokalne przyporządkowane są do danego podprogramu i są widoczne tylko w podprogramie SBRx, w którym zostały zadeklarowane. Dane lokalne nie są dostępne poza danym podprogramem SBRx. Dane lokalne L, wykorzystuje się aby przekazywać wartości z programu głównego  do podprogramów. System operacyjny udostępnia szereg znaczników systemowych SM [System merker), które odpowiadają za różne funkcje systemowe np. generację sygnału 1 Hz lub są aktywne tylko w pierwszym cyklu sterownika. Opis wszystkich funkcji znajduje się w dokumentacji do sterowników S7-200 dostępnej w Internecie pod adresem znajdującym się na końcu   artykułu. Sterownik S7-200 posiada również zintegrowane tzw. szybkie liczniki. Są to liczniki, które po zainicjalizowaniu zaczynają zliczać impulsy doprowadzone do ustalonych wejść sterownika poza cyklem pracy sterownika. Czas wykonywania i liczba instrukcji programowych nie ma wpływu na szybkość i pewność zliczania szybkiego licznika. Chcąc odczytać wartość szybkiego licznika należy w danym miejscu programu umieścić instrukcję odczytującą chwilową wartość szybkiego licznika. Liczba szybkich liczników w zależności od CPU wynosi od 4 do 6. Liczniki mogą zliczać sygnały  o częstotliwości   do   30  kHz.   Oprócz szybkich liczników dostępne są również liczniki i zegary wykorzystywane w programie użytkownika. Dodatkowo S7-200 wyposażony jest w wyjścia PWM (modulacja szerokości impulsu) oraz PTO (modulacja częstotliwości), dzięki czemu idealnie nadaje się do sterowania silnikami krokowymi oraz układami pozycjonowania. System operacyjny S7-200 dba o odpowiednie przydzielenie czasu na sprawdzenie  wszystkich  elementów  systemu. System operacyjny sterownika nadzoruje wykonywanie programu, odpowiada za komunikację z innymi zewnętrznymi urządzeniami (sieci sterowników S7-200), dokonuje samokontroli pod kątem sprawności systemów S7-200, zapisuje stany wyjść do obrazu wyjść procesu, ostatecznie odczytuje stany wejść z obrazu wejść procesu. Obraz wejść i wyjść procesu to obszar wydzielonej pamięci gdzie zapisywane są stany sygnałów dla wejść i wyjść sterownika. Chwilę czasową w której odczytywany jest stan sygnału dla wejść i zapisu dla wyjść dobiera automatycznie system operacyjny. Sygnały analogowe odczytywane z modułów wejść i zapisywane do wyjść analogowych nie posiadają obrazu wejść i wyjść procesu. W związku z tym wartości przekazywane lub odczytywane z modułów analogowych są wartościami chwilowymi. Bardzo bogaty zbiór instrukcji w tym instrukcji zmiennoprzecinkowych, komunikacyjnych, konwersji, regulacji PID pozwala na tworzenie w oparciu o sterowniki S7-200 bardzo złożonych programów dostępnych do tej pory tylko na dużych systemach sterownia. Dzięki zintegrowanemu konfigurowalnemu portowi komunikacyjnemu możliwe jest tworzenie zdecentralizowanych struktur sterowania i gromadzenia danych w oparciu  o tryb  swobodny  portu  ASCII.

Działanie sterowników S7-200 - podstawy, część3
Nadesłany przez Michał Bereza, Siemens
Oprogramowanie Step7Microwin32 pracuje w środowisku Windows 95/98, NT4, 2000 i jest narzędziem umożliwiającym programowanie sterowników SIMATIC S7-200. Interfejs użytkownika jest prosty w obsłudze i pozwala pisać i obsługiwać programy napisane w postaci listy rozkazów (STL), bloków funkcyjnych (FBD) oraz schematu drabinkowego (LAD). Program narzędziowy pozwala na pełną diagnostykę stanu sterownika, tworzenie dokumentacji, modyfikację oprogramowania i wymuszanie stanów wyjściowych (FORCE) zarówno w trybie pracy RUN jak i STOP sterownika. Po uruchomieniu zgłasza się edytor programu Step7 MicroWin3 2. W górnej części dostępny jest pasek narzędziowy, gdzie zlokalizowane są wszelkie dostępne funkcje obsługi programu oraz ikony najczęściej wykorzystywanych funkcji. W oknie View znajdują się następujące bloki funkcji systemowych: Edytor programu użytkownika, pozwalający na tworzenie programu składającego się z cyklicznie wywoływanego bloku MAIN oraz podprogramów  SBR i przerwań INT. Tabela symboli, w której znajduje się przyporządkowanie adresu zmiennej do tekstu. Dzięki temu adresy wejść, wyjść zmienne wewnętrzne mogą być wyświetlane jako opisy tekstowe jednoznacznie określające ich przeznaczenie w programie. Status Chart - tabela, w której można umieszczać zmienne w celu wyświetlenia ich aktualnych wartości w trybie monitorowania programu lub wymuszania stanów wyjść lub wartości zmiennych. System Błock, w którym znajdują się parametry konfiguracyjne jednostki centralnej CPU, ustawienia portów komunikacyjnych, ustawienia zakresów dla obszarów danych z podtrzymaniem, zabezpieczenie hasłem, ustawienia dla filtrów wartości analogowych i inne. Cross Reference - lista odnośników pozwalająca ustalić w jakich podprogramach lub przerwaniach wywoływane są zdeklarowane przez nas zmienne lub jakie zmienne nie ostały jeszcze w programie zastosowane. Lista odnośników dołączana jest do wykonywanej  dokumentacji. Komunikacja, gdzie ustala się parametry komunikacyjne dla połączenia komputera PC ze sterownikiem lub parametry dla komunikacji sieciowej sterowników S7-200. Wybierany jest adres sterownika z którym chcemy się połączyć, jego prędkość wymiany danych, tryb pracy  portu   komunikacyjnego:   11   bitów   dla pracy sieciowej  lub programowania sterownika lub  10-bitowy dla pracy z modemami. W oknie zakładki Tools znajdują się programy wywoływane spod Step7 MicroWin32. Są to kreatory, czyli narzędzia automatycznie generujące kod programu na podstawie danych podanych przez projektanta. Obecnie są przygotowane kreatory dla generowania kodu programu dla szybkich liczników HSC, regulatorów PID, panela operatorskiego TD200 oraz tworzenia sieci sterowników S7-200. W zakładce Tools dostępny jest również program do parametryzacji panela typu touch screen (matryca rezystancyjna) TP070, na którym przygotowywany jest program wizualiza-cyjny do komunikacji z operatorem. Po prawej stronie okna View znajduje się biblioteka dostępnych funkcji programu Step 7 Micro/ Win 32. W górnej części okna biblioteki funkcji znajduje się nazwa projektu, poniżej znajdują się zdeklarowane przez projektanta bloki programowe, którymi mogą być: blok główny Main wywoływany cyklicznie przez system operacyjny, podprogramy SBR, programy obsługi przerwań INT. Znajduje się tam również zdeklarowana tabela symboli, tabela statusu zmiennych, blok danych, blok systemowy, lista odnośników oraz parametry komunikacyjne. Poniżej znajduje się właściwa biblioteka funkcji. Sterowniki S7-200 mają bardzo bogatą bibliotekę funkcji, w skład której  wchodzą: funkcje  operacji na bitach, funkcje obsługi zegara czasu rzeczywistego, funkcje komunikacyjne obsługujące interfejs szeregowy w trybach ASCII (tryb swobodny portu), oraz w trybie PPI (komunikacja sieciowa sterowników S7-200), funkcje porównania zmiennych typu BYTE (bajt),  WORD   (słowo),  DWORD   (podwójne słowo), REAL (liczba zmiennoprzecinkowa), funkcje konwersji kodów, funkcje obsługi liczników i szybkich liczników, funkcje operacji na liczbach zmiennoprze-cinkowych   typu   SQRT   (pierwiastek),   LN (logarytm naturalny)  i wiele innych, funkcje operacji na liczbach stałoprzecinko-wych, funkcje obsługi i generowania przerwań, funkcje  operacji logicznych na bitach, funkcje  przesłań  zmiennych  w przestrzeni adresowej  sterownika  MOVE, funkcje  kontrolne  programu   (funkcje  pętli FOR - NEXT,  powrotu  RET  itd.), funkcje przesunięć bitów w bajcie, funkcje  obsługi  tabel  i kolejek danych  LI-FO  - FIFO, funkcje  obsługi zegarów. Po prawej stronie okna biblioteki, powyżej właściwego edytora programu znajduje się tabela, która jest lokalnym stosem danych. Zmienne oznaczone jako „L" w lokalnym stosie danych są aktywne tylko w danym module programowym, tj. podprogramie, przerwaniu lub programie głównym Main. Zmiennych lokalnych zdeklarowanych w danym module nie można wywoływać w innym module. Ważną jednak własnością zmiennych lokalnych jest to że poprzez zmienne lokalne można przekazywać wartości z innych modułów np. można wyliczoną wartość   prędkości   silnika   zapamiętaną w zmiennej globalnej VW20 przekazać do podprogramu SBRO poprzez zmienna „L" opisaną np. jako prędkość. Dzięki temu można stworzyć podprogram który wywoływany będzie z różnymi parametrami wejściowymi. Poniżej lokalnego stosu danych umiejscowiony został edytor programu. W zakładkach okna edytora można dokonywać wyboru aktualnie dostępnego modułu czyli podprogramu, programu  głównego  lub  przerwania. Programowanie sterownika S7-200 następuje poprzez wywołanie z biblioteki określonej funkcji i umieszczenie jej w obszarze edytora programu. Łącząc zgodnie z założonym algorytmem poszczególne dostępne funkcje oraz dokonując wywołań podprogramów i przerwań tworzymy program dla sterownika S7-200. Pozostaje jeszcze skompilowanie programu poprzez uaktywnienie ikonki:   oraz wgranie programu  do  sterownika. Poniżej edytora programu znajduje się aktywne okno komunikacji z użytkownikiem. W trakcie dokonywania kompilacji umieszczane są tam informacje o wszelkich powstałych błędach oraz o miejscu ich wystąpienia z podaniem nazwy podprogramu i linii w której wystąpił błąd. Błędy składniowe czyli błędy w nazwie wywoływanych funkcji lub zmiennych wykrywane są w trakcie pisania programu w edytorze programu. W trakcie kompilacji wykrywane są błędy logiczne. Funkcje poszczególnych ikonek edytora Step7Micro-Win podano w tab.  1. Bardzo istotną cechą edytora Step7Micro-Win jest możliwość podglądu pracy programu w sterowniku S7-200. Jest to możliwe po uruchomieniu z paska wyboru opcji Debug-Pro-gram Status. Dzięki temu wszelkie stany pracy programu, funkcji bibliotecznych mogą być analizowane przez projektanta. Bardzo pomocną jest również funkcja podglądu zmiennych w programie w sterowniku S7-200. W opcji Status Chart można zdefiniować w obrębie całego programu, adresy interesujących nas zmiennych, których wartości są dla nas istotne. Funkcję Status Chart uruchamia się poprzez aktywację funkcji Debug-Chart Status. Sterowniki S7-200 CPU224 oraz CPU226 umożliwiają wgranie nowego programu, podprogramów lub zmianę wartości zmiennych w trybie pracy RUN sterownika S7-200. Aby aktywować tę opcję pracy S7-200 należy wybrać na pasku wyboru opcję Debug-Program Edit in Run. W trybie STOP sterownika istnieje możliwość wymuszania stanów wyjść. Funkcja ta jest bardzo użyteczna na etapie uruchamiania systemów automatyki, ponieważ pozwala uruchamiać wybiórczo podłączone do wyjść sterownika odbiorniki i analizować stany ich pracy, co nie byłoby możliwe w trybie RUN pracy sterownika. Michał Bereza, Siemens.

Działanie sterowników S7-200 - podstawy, część4
Nadesłany przez Michał Bereza, Siemens
Ponieważ najbardziej rozpowszechnionym „językiem" dla sterowników PLC jest schemat drabinkowy LAD, w kolejnych wydaniach EP przedstawimy ten właśnie sposób przygotowywania programów dla sterowników S7-200. Naturalnie, nic nie stoi na przeszkodzie aby korzystać z alternatywnych sposobów opisu: listy instrukcji STL lub edytora bloków FBI. Narzędzia te nie będą opisywane na łamach EP. Zainteresowanych odsyłamy do dokumentacji technicznej sterowników   S7-200. Schemat drabinkowy (LAD) Część logiczna programu sterującego składa się z umieszczonych jeden pod drugim sieci [network], inaczej mówiąc szczebli programowych. Przypominają one typowy schemat połączeń elektrycznych. W skład każdego szczebla wchodzą: elementy realizujące funkcje logiczne (styki), wyjście - zazwyczaj cewka przekaźnika wykonawczego, jak i bardziej złożone bloki funkcyjne. Na schemacie drabinkowym (rys. 1) znajduje się zawsze symboliczne źródło zasilania. Zakłada się przepływ sygnału od szyny umieszczonej po lewej stronie schematu do cewek przekaźników lub bloków funkcyjnych umieszczonych po prawej stronie danego szczebla. Kolejne szczeble drabiny są analizowane kolejno od góry do dołu. Po dojściu do ostatniego szczebla śledzenie programu rozpoczyna się od początku. Opis   elementów logicznych oprogramowania MicroWin Poniżej opiszemy podstawowe elementy logiczne programu sterującego, sposób ich działania oraz typy zmiennych, które mogą być przypisane wejściom oraz wyjściom elementów logicznych. W oprogramowaniu narzędziowym Step 7 Mic-roWin32 elementy te pogrupowano w kategorie przedstawione w tab. 1. W tab. 2 zestawiono symbole styków wykorzystywane w programach drabinkowych, a w tab. 3 symbole najczęściej wykorzystywanych przekaźników. Michał Bereza, Siemens

---