POLITECHNIKA ÅšL
SKA
WYDZIAA
ELEKTRYCZNY
KATEDRA MECHATRONIKI
Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego
Przedmiot:
Automatyzacja Procesów Technologicznych
Symbol ćwiczenia:
APT5
Wykorzystanie panelu operatorskiego jako
Tytuł ćwiczenia:
interfejsu HMI
SPIS TREÅšCI
Spis rysunków 2
1. Cele ćwiczenia 3
2. Podstawowe wiadomości 3
3. Laboratoryjne stanowisko badawcze 7
3.1. Obiekt badany 7
3.2. UrzÄ…dzenia dodatkowe 8
3.3. Oprogramowanie 8
4. Program ćwiczenia - wykaz zadań do realizacji 9
5. Przykład realizacji zadania  sterowanie i sygnalizacja ruchu przenośnika 10
taśmowego
6. Raport 15
7. Pytania 15
Literatura 16
AUTOMATYZACJA PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH  instrukcja do
ćwiczenia laboratoryjnego
SPIS RYSUNKÓW
1. Miejsce interfejsu HMI w systemie automatyki przemysłowej 3
Rozwiązania osprzętu sterowniczo-sygnalizacyjnego
2. 4
Klawiatury przemysłowe
3. 4
Panele operatorskie
4. 4
Panel operatorski jako urządzenie wejścia wyjścia w sieci Ethernet (Profinet)
5. 5
6. Zintegrowane środowisko konfiguracyjno-programistyczne Totally Integrated 5
Automation Portal
Przykładowy ekran systemu SCADA
7 6
Usytuowanie stacji SCADA w systemie automatyki przemysłowej
8 6
Możliwość dostępu do systemu SCADA (WinCC Server) z wielu stacji
9 7
operatorskich (WinCC Clients)
Sterownik programowalny Simatic S7-1200.
10 7
Panel operatorski Simatic KTP 600.
11 7
TIA Portal Step 7 Basic V10.5  widok projektu
12 8
Wzajemne relacje pomiędzy tabelą tagów PLC, tagami w programie użytkownika,
13 9
bitami pamięci, a wejściami i wyjściami sterownika PLC
Konfiguracja układu sterowania i sygnalizacji ruchu przenośnika taśmowego
14 10
Konfiguracja sprzętowa panelu operatorskiego
15 11
Tworzenie interfejsu graficznego ekranu głównego
16 11
Konfiguracja połączenia logicznego w sieci Profinet pomiędzy sterownikiem PLC
17 12
a panelem operatorskim
Program sterujący pracą przenośnika poprzez zmianę stanu tagu ON/OFF (M0.0)
18 12
Umieszczenie przycisku na ekranie głównym
19 13
Umieszczenie lampek kontrolnych na ekranie głównym
20 14
Wybór animacji dla lampek kontrolnych na ekranie głównym
21 14
Przypisanie rodzaju animacji lampki kontrolnej do stanu tagu ON/OFF
22 15
2
Wykorzystanie panelu operatorskiego jako interfejsu HMI
AUTOMATYZACJA PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH  instrukcja do
ćwiczenia laboratoryjnego
1. CELE ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z następującymi zagadnieniami:
żð RozwiÄ…zania interfejsów czÅ‚owiek-maszyna stosowane w ukÅ‚adach automatyki
przemysłowej
żð Konfiguracja panelu operatorskiego jako interfejsu HMI w ukÅ‚adzie automatyki
przemysłowej
2. PODSTAWOWE WIADOMOÅšCI
Pojęcie HMI (ang. Human Machine Interface) oznacza ogół metod i rozwiązań, w tym
urządzeń i oprogramowania, służących do wydawania poleceń maszynom i przekazywania
operatorowi informacji o stanie pracy tych urządzeń. Tak więc urządzenia typu HMI stanowią
interfejs pomiędzy użytkownikiem a procesem. Przebieg procesu jest sterowany przez
sterownik, natomiast urządzenia HMI umożliwiają monitorowanie przebiegu procesu oraz
interweniowanie w razie potrzeby (rys. 1).
Rys. 1. Miejsce interfejsu HMI w systemie automatyki przemysłowej [5].
Generalnie można wyróżnić trzy grupy rozwiązań interfejsów HMI:
·ð OsprzÄ™t sterowniczo  sygnalizacyjny
·ð Panele operatorskie i komputery panelowe
·ð Oprogramowanie przemysÅ‚owe
Osprzęt sterowniczo sygnalizacyjny stanowią elementy elektromechaniczne takie jak
przyciski, przełączniki, lampki sygnalizacyjne, kasety sterownicze czy klawiatury
przemysłowe. Przykładowe rozwiązania osprzętu sterowniczo-sygnalizacyjnego w postaci
pojedynczych przycisków w różnych konfiguracjach czy lampek sygnalizacyjnych
zgrupowanych w tzw. słupy sygnalizacyjne przedstawiono na rys. 2, natomiast na rys. 3
przedstawiono przykłady klawiatur przemysłowych.
3
Wykorzystanie panelu operatorskiego jako interfejsu HMI
AUTOMATYZACJA PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH  instrukcja do
ćwiczenia laboratoryjnego
Rys. 2. Rozwiązania osprzętu sterowniczo-sygnalizacyjnego [5].
Rys. 3. Klawiatury przemysłowe [5].
Drugą bardzo popularną grupą urządzeń HMI są panele operatorskie (rys. 4).
Rys. 4. Panele operatorskie [5].
Panele operatorskie to centralny punkt wielu maszyn i linii produkcyjnych. Służą one do
wyświetlania informacji, wizualizacji stanu procesów technologicznych, a także kontroli
pracy maszyn i instalacji przemysłowych.
Panele operatorskie są tak naprawdę mniej lub bardziej złożonymi komputerami
przemysłowymi. Obecnie panele operatorskie mogą pełnić już nie tylko funkcje wyświetlania
danych i komunikacji z otoczeniem. Coraz częściej panele pełnią również rolę sterowników
procesów, urządzeń gromadzących dane czy łączących różne systemy automatyki. Ponadto
współczesne panele operatorskie staja się coraz bardziej multimedialne, czyli mogą
4
Wykorzystanie panelu operatorskiego jako interfejsu HMI
AUTOMATYZACJA PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH  instrukcja do
ćwiczenia laboratoryjnego
wyświetlać wideo i odtwarzać dz
więk. Panele operatorskie mają ekrany o przekątnych nawet
20 cali. Uzupełnieniem tradycyjnej, mniej lub bardziej rozbudowanej klawiatury jest ekran
dotykowy. Jeśli chodzi o interfejsy komunikacyjne w jakie wyposaża się panele operatorskie
to są to interfejsy RS232, RS485, czy też coraz powszechniej stosowane USB i Ethernet.
Wykorzystując interfejs Ethernet można przyłączać panele tak jak każde inne urządzenie
wejścia-wyjścia (rys. 5.).
Rys. 5. Panel operatorski jako urządzenie wejścia wyjścia w sieci Ethernet (Profinet) [5].
Ponadto w niektórych rozwiązaniach paneli możliwa jest też komunikacja bezprzewodowa w
standardzie Wi-Fi, Bluetooth czy GSM.
Obserwuje się również tendencję do integrowania oprogramowania narzędziowego do paneli
operatorskich z oprogramowaniem do konfiguracji i programowania sterowników oraz
oprogramowania do konfiguracji połączeń sieciowych, co znacznie ułatwia i przyspiesza
proces przygotowywania i uruchamiania kompletnego systemu automatyki. Przykładem
takiego zintegrowanego środowiska jest Totally Integrated Automation Portal firmy Siemens
(rys. 6).
Rys. 6. Zintegrowane środowisko konfiguracyjno-programistyczne Totally Integrated Automation
Portal [5].
5
Wykorzystanie panelu operatorskiego jako interfejsu HMI
AUTOMATYZACJA PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH  instrukcja do
ćwiczenia laboratoryjnego
Oprogramowanie przemysłowe z grupy HMI obejmuje oprogramowanie do obsługi
operatorskiej maszyn i wizualizacji procesu oraz systemy SCADA (ang. Supervisory Control
And Data Acquisition) (rys. 7).
Rys. 7. Przykładowy ekran systemu SCADA [5].
Usytuowanie stacji operatorskiej (komputera) z funkcjonalnością SCADA w hierarchicznym
systemie automatyzacji przedstawiono na rys. 8.
Rys. 8. Usytuowanie stacji SCADA w systemie automatyki przemysłowej [5].
Przykładami oprogramowania przemysłowego z grupy HMI są WinCC firmy Siemens, czy
InTouch firmy Wonderware.
Stacje operatorskie mogą posiadać wiele różnych funkcjonalności np. możliwość dostępu do
tych samych danych z wielu różnych miejsc (rys. 9).
6
Wykorzystanie panelu operatorskiego jako interfejsu HMI
AUTOMATYZACJA PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH  instrukcja do
ćwiczenia laboratoryjnego
Rys. 9. Możliwość dostępu do systemu SCADA (WinCC Server) z wielu stacji operatorskich (WinCC
Clients) [5].
3. LABORATORYJNE STANOWISKO BADAWCZE
3.1. Obiekt badany
żð ModuÅ‚owy sterownik programowalny PLC  Simatic S7-1200 CPU1212C (rys. 10).
Rys. 10. Sterownik programowalny Simatic S7-1200.
żð Panel operatorski HMI - Simatic KTP 600 Basic Color PN (rys. 11).
Rys. 11. Panel operatorski Simatic KTP 600.
7
Wykorzystanie panelu operatorskiego jako interfejsu HMI
AUTOMATYZACJA PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH  instrukcja do
ćwiczenia laboratoryjnego
3.2. UrzÄ…dzenia dodatkowe
żð Komputer PC.
3.3. Oprogramowanie
żð Totally Integrated Automation Portal Step 7 Basic V10.5 (rys. 12).
Rys. 12. TIA Portal Step 7 Basic V10.5  widok projektu.
Komunikacja pomiędzy sterownikiem, a panelem operacyjnym odbywa się poprzez tzw. tagi.
Tag jest to zmienna wykorzystywana w programie, która może przyjmować różne wartości.
Generalnie tagi można podzielić na dwie grupy:
·ð Tagi lokalne, które sÄ… widoczne tylko w bloku, w którym zostaÅ‚y zadeklarowane.
·ð Tagi PLC , które sÄ… widoczne w caÅ‚ym PLC.
Większość instrukcji w programie wykorzystuje tagi. Po przypisaniu tagu do instrukcji,
instrukcja ta będzie wykonywana z wartością określonego tagu. Główną zaletą tagów jest
możliwość centralnej zmiany adresowania w całym projekcie. Tag PLC składa się z
następujących składników:
·ð Nazwa, która jednoznacznie identyfikuje dany tag w obrÄ™bie danego PLC.
8
Wykorzystanie panelu operatorskiego jako interfejsu HMI
AUTOMATYZACJA PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH  instrukcja do
ćwiczenia laboratoryjnego
·ð Typ danych, który okreÅ›la reprezentacjÄ™ wartoÅ›ci oraz dozwolony zakres wartoÅ›ci.
Typ Bool przykładowo określa, że tag jest dwuwartościowy, czyli może przyjmować
wartości 0 lub 1.
·ð Adres okreÅ›la bezwzglÄ™dny adres (np. M0.0) w pamiÄ™ci sterownika, w której jest
przechowywana wartość tagu. Obszarami pamięci, w których wartości tagów mogą
być przechowywane są wejścia, wyjścia i pamięć ogólnego przeznaczenia.
Zarządzanie tagami w projekcie w TIA Portal jest możliwe poprzez tablice tagów. Na rys. 13
przedstawione jest powiązanie pomiędzy tabelą tagów PLC, tagami w programie
użytkownika, bitami pamięci, a wejściami i wyjściami sterownika PLC.
Rys. 13. Wzajemne relacje pomiędzy tabelą tagów PLC, tagami w programie użytkownika, bitami
pamięci, a wejściami i wyjściami sterownika PLC.
4. PROGRAM ĆWICZENIA  WYKAZ ZADAC
DO REALIZACJI
żð Uruchomienie Å›rodowiska TIA Portal i konfiguracja sprzÄ™towa sterownika i panelu
operatorskiego
żð Konfiguracja poÅ‚Ä…czenia sieciowego pomiÄ™dzy sterownikiem a panelem operatorskim
9
Wykorzystanie panelu operatorskiego jako interfejsu HMI
AUTOMATYZACJA PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH  instrukcja do
ćwiczenia laboratoryjnego
żð SporzÄ…dzenie tablic tagów
żð Przygotowanie interfejsu graficznego panelu operatorskiego
żð Napisanie programu sterownika
żð Wczytanie projektu do urzÄ…dzeÅ„  sterownika i panelu operatorskiego
żð Przetestowanie dziaÅ‚ania wykonanego projektu
5. PRZYKA
AD REALIZACJI ZADANIA  STEROWANIE I SYGNALIZACJA
RUCHU PRZENOÅšNIKA TAÅšMOWEGO
Na rys. 14 przedstawiono schemat funkcjonalny układu sterowania i sygnalizacji ruchu
przenośnika taśmowego.
Rys. 14. Konfiguracja układu sterowania i sygnalizacji ruchu przenośnika taśmowego.
Należy napisać program sterownika PLC sterujący włączaniem i wyłączaniem przenośnika na
podstawie sygnału z panelu operatorskiego HMI. Dla panelu należy wykonać prosty interfejs
użytkownika składający się z jednego przycisku ON/OFF oraz dwóch lampek
sygnalizacyjnych ruch (migajÄ…ca lampka zielona) i zatrzymanie (migajÄ…ca lampka czerwona)
przenośnika.
Aby stworzyć aplikację ze sterownikiem programowalnym wykorzystującą panel operatorski
w środowisku TIA Portal należy wykonać następujące kroki:
o przeprowadzić konfigurację sprzętową sterownika i panelu operatorskiego
o przeprowadzić konfigurację komunikacji pomiędzy sterownikiem a panelem
o napisać program sterujący dla sterownika
o stworzyć ekran wizualizacyjno-kontrolny
o załadować projekt do sterownika i panelu
o przetestować działanie układu
10
Wykorzystanie panelu operatorskiego jako interfejsu HMI
AUTOMATYZACJA PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH  instrukcja do
ćwiczenia laboratoryjnego
Konfigurację sprzętową sterownika wykonuje się w sposób podany w [1], natomiast
konfigurację sprzętową panelu poprzez dodanie odpowiedniego urządzenia do projektu np. z
poziomu widoku projektu poprzez zakładkę Add New device w drzewie projektu (Project
tree)  rys. 15.
Rys. 15. Konfiguracja sprzętowa panelu operatorskiego.
Do projektu zostało dodane nowe urządzenie  panel operatorski  oraz został stworzony
szablon głównego ekranu, który jest wyświetlany w edytorze (rys. 16).
Rys. 16. Tworzenie interfejsu graficznego ekranu głównego.
11
Wykorzystanie panelu operatorskiego jako interfejsu HMI
AUTOMATYZACJA PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH  instrukcja do
ćwiczenia laboratoryjnego
Kolejnym krokiem jest skonfigurowanie logicznego połączenia sieciowego ze sterownikiem
PLC. W tym celu należy przejść do zakładki Devices&Networks, wybrać zakładkę Network
view i dokonać połączenia przy użyciu myszki (rys. 17).
Rys. 17. Konfiguracja połączenia logicznego w sieci Profinet pomiędzy sterownikiem PLC a panelem
operatorskim.
Oprogramowanie sterownika należy przeprowadzić zgodnie z zasadami podanymi w [1].
Ponadto w tabeli tagów sterownika należy dodać tag o nazwie ON/OFF typu Bool o adresie w
pamięci M (np. M0.0). Przykładowy program może mieć bardzo prostą strukturę (rys. 18).
Rys. 18. Program sterujący pracą przenośnika poprzez zmianę stanu tagu ON/OFF (M0.0).
Następnie można przystąpić do tworzenia niezbędnych obiektów graficznych, które będą
wizualizowały proces. Obiektami takimi mogą być tekst, przyciski, wykresy, grafika. Obiekty
graficzne mogą być statyczne bądz
dynamiczne. Obiekty statyczne to obiekty, które w trakcie
normalnej pracy panelu nie zmieniajÄ… swojego wyglÄ…du, natomiast obiekty dynamiczne
zmieniają się zależnie od stany procesu. Obiekty dynamiczne są zarządzane poprzez tagi,
12
Wykorzystanie panelu operatorskiego jako interfejsu HMI
AUTOMATYZACJA PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH  instrukcja do
ćwiczenia laboratoryjnego
czyli miejsca w pamięci (znaczniki) sterownika PLC (tagi zewnętrzne) lub panelu
operatorskiego (tagi wewnętrzne).
Można przystąpić do stworzenia przycisku uruchamiającego i zatrzymującego przenośnik.
Z biblioteki elementów graficznych należy wybrać przycisk i umieścić go w pożądanym
miejscu ekranu. Na przycisku należy wpisać tekst ON/OFF, który będzie widoczny w czasie
normalnej pracy (rys.19).
Rys. 19. Umieszczenie przycisku na ekranie głównym.
Następnie należy skonfigurować działanie przycisku w momencie jego aktywacji:
Properties\Events\Press\\Edit bits\InvertBit. W tym samym oknie należy
połączyć funkcję InvertBit z tagiem ON/OFF sterownika PLC.
W tym momencie zostało wykonane połączenie pomiędzy przyciskiem ON/OFF widocznym
na ekranie panelu, a tagiem ON/OFF w pamięci sterownika PLC. W momencie gdy zostanie
wciśnięty przycisk na panelu odpowiedni bit tagu ON/OFF sterownika PLC zostanie
ustawiony na 1 (przenośnik włączony). Gdy przycisk zostanie wciśnięty drugi raz bit tagu
zostanie ustawiony na 0 (przenośnik wyłączony).
W dalszej kolejności przedstawiony zostanie sposób tworzenia elementów sygnalizacyjnych
w postaci dwóch lampek (zielona i czerwona) sygnalizujących stan pracy przenośnika. W
pierwszej kolejności należy stworzyć obiekty graficzne, reprezentujące lampki na ekranie
panelu. W tym celu z grupy obiektów graficznych Basic objects należy dwukrotnie
13
Wykorzystanie panelu operatorskiego jako interfejsu HMI
AUTOMATYZACJA PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH  instrukcja do
ćwiczenia laboratoryjnego
wykorzystać obiekt Circle. Wprowadzonym obiektom należy nadać odpowiednie kolory tła
oraz krawędzi (rys. 20).
Rys. 20. Umieszczenie lampek kontrolnych na ekranie głównym.
W dalszej kolejności stworzonym lampkom należy przypisać animacje. W tym celu należy
kliknąć wybrana lampkę, a następnie wybrać opcję Properties\Animations\New
animation\Appearance i dokonać skojarzenia animacji z tagiem ON/OFF (rys. 21).
Rys. 21. Wybór animacji dla lampek kontrolnych na ekranie głównym.
14
Wykorzystanie panelu operatorskiego jako interfejsu HMI
AUTOMATYZACJA PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH  instrukcja do
ćwiczenia laboratoryjnego
Animację należy ustawić tak, aby zielona lampka migała w przypadku, gdy tag ON/OFF
przyjmuje wartość 1 (przenośnik włączony). W tym celu należy dokonać odpowiednich
ustawień w zakładce Properties\Animations\Appearance (rys. 22).
Rys. 22. Przypisanie rodzaju animacji lampki kontrolnej do stanu tagu ON/OFF.
W podobny sposób należy skonfigurować czerwoną lampkę.
Następnie całość projektu należy załadować do panelu oraz sterownika PLC i przetestować
jego działanie.
6. RAPORT
Raport z przeprowadzonego ćwiczenia laboratoryjnego powinien zawierać:
żð Opis zadania, które należaÅ‚o rozwiÄ…zać.
żð Przebieg ćwiczenia - główne czynnoÅ›ci.
żð Listingi programów wraz z komentarzami.
żð Podsumowanie i wnioski  wady i zalety stworzonego projektu (programu), propozycje
rozszerzenia funkcjonalności wykonanego projektu.
7. PYTANIA
1. W jaki sposób buduje się interfejsy HMI we współczesnych układach automatyzacji ?
2. Co to sÄ… tagi ? Na czym polega ich wykorzystanie w tworzeniu aplikacji HMI z panelami
operatorskimi ?
15
Wykorzystanie panelu operatorskiego jako interfejsu HMI
AUTOMATYZACJA PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH  instrukcja do
ćwiczenia laboratoryjnego
LITERATURA
1. Programowanie przemysłowego sterownika PLC w języku funkcjonalnych schematów
blokowych FBD. Automatyzacja Procesów Technologicznych  instrukcja do ćwiczenia
laboratoryjnego. Katedra Mechatroniki, 2011.
2. Simatic S7. Programowalny sterownik S7-1200. Podręcznik systemu. www.siemens.com.
3. TIA Portal STEP 7 Basic V10.5, www.siemens.com, 2009
4. Informator Rynkowy Automatyki 2011. Wydawnictwo AVT Korporacja Sp. z o.o.
5. www.siemens.com
Opracowanie: Damian Krawczyk
Gliwice 2011
16
Wykorzystanie panelu operatorskiego jako interfejsu HMI