SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Программируемые логические контроллеры SIMATIC S7

В статье рассматриваются программируемые контроллеры семейств SIMATIC S7-300, SIMATIC S7-400 и системы компьютерного управления SIMATIC WinAC. Приведены подробные технические и эксплуатационные характеристики. 

ООО «Сименс», г. Москва

Siemens_site.gif 

Отдел систем автоматизации Департамента Промышленной автоматизации концерна SIEMENS (SIEMENS IA AS) является одним из крупнейших мировых производителей технических средств управления. Его продукция широко известна во всем мире по торговой марке SIMATIC.

SIMATIC сегодня – это мощный комплекс программных и аппаратных средств управления, объединяющий в своем составе: промышленное программное обеспечение SIMATIC Industrial Software; программируемые контроллеры семейств SIMATIC S7; промышленные компьютеры SIMATIC PC и программаторы SIMATIC PG; системы компьютерного управления SIMATIC WinAC; станции систем распределенного ввода/вывода SIMATIC DP; аппаратуру и программное обеспечение систем человеко-машинного интерфейса SIMATIC HMI; аппаратуру и программное обеспечение организации промышленной связи SIMATIC NET; системы управления непрерывными процессами SIMATIC PCS7; системы управления производством SIMATIC IT.

На  сегодняшний  день  SIEMENS является самым крупным мировым производителем универсальных программируемых контроллеров, а его современная продукция представлена программируемыми контроллерами семейств  SIMATIC S7-200, SIMATIC S7-300, SIMATIC S7-400. В данной статье будут подробно рассмотрены серии S7-300 и S7-400. Все перечисленные контроллеры обладают мощными коммуникационными возможностями и способны поддерживать обмен данными через Internet, Industrial Ethernet, PROFIBUS и MPI.


SIMATIC S7-300

SIMATIC S7-300 – это модульный программируемый контроллер, предназначенный для построения систем управления средней степени сложности. В зависимости от типа используемого центрального процессора системы на основе S7-300 способны обслуживать от 16 дискретных входов/выходов до 65 536 дискретных или 4096 аналоговых каналов ввода/вывода. Наличие широкой гаммы центральных процессоров, интерфейсных, коммуникационных, сигнальных и функциональных модулей позволяет легко адаптировать аппаратуру контроллера к требованиям решаемых задач.

Система ввода/вывода S7-300 может состоять из двух частей: системы локального и системы распределенного ввода/вывода. Система локального ввода/вывода объединяет все модули, устанавливаемые в базовый блок и стойки расширения контроллера. Система распределенного ввода/вывода строится на основе удаленных станций ввода/вывода и приборов полевого уровня, подключаемых к программируемому контроллеру через сети PROFINET, PROFIBUS и AS-Interface.

В S7-300 может использоваться 16 типов центральных процессоров. Все центральные процессоры оснащены встроенным интерфейсом MPI, который используется для программирования контроллера и его обслуживания, а также построения простейших сетевых структур с циклическим обменом глобальными данными. Обмен глобальными данными поддерживается на уровне конфигурирования и не требует программирования контроллера. MPI позволяет объединять до 32 станций. Скорость передачи данных в сети может достигать 187,5 Кбит/с.

Центральные процессоры CPU 31x-2DP оснащены встроенным интерфейсом PROFIBUS DP и могут выполнять функции ведущего или ведомого сетевого устройства. Скорость передачи данных может достигать 12 Мбит/с. Максимальное количество подключаемых станций распределенного ввода/вывода определяется типом центрального процессора.

Центральные процессоры CPU 31x-2PN/DP оснащены встроенным интерфейсом PROFINET и комбинированным интерфейсом MPI/DP. Эти центральные процессоры способны работать одновременно в составе систем распределенного ввода/вывода на основе Industrial Ethernet (PROFINET IO) со скоростью передачи 10 или 100 Мбит/с, а также в системах распределенного ввода/вывода на основе PROFIBUS DP и обеспечивать обмен данными между указанными сетями. Контроллеры S7-300 с другими центральными процессорами могут подключаться к сети PROFINET через коммуникационный процессор CP 343-1 с операционной системой от V2.0 и выше.

Siemens_pic1.jpg

Рис.  Семейство модульных программируемых контроллеров SIMATIC S7-300


Центральные процессоры CPU 31xC оснащены не только коммуникационными интерфейсами, но и набором встроенных входов и выходов. По аналогии с S7-200 встроенные входы CPU 31xC имеют универсальное назначение. Такие центральные процессоры могут использоваться в качестве готовых блоков управления без применения или с применением дополнительных модулей расширения. CPU 31xC обеспечивают поддержку целого ряда технологических функций на уровне своей операционной системы. В общем случае к таким функциям можно отнести скоростной счет, измерение частоты или периода, ПИД-регулирование и позиционирование.

Все центральные процессоры используют в качестве загружаемой памяти микрокарту памяти ММС (3.3В NVFlash). В этой карте сохраняется программа контроллера, параметры конфигурации аппаратуры и другие данные. Опционально ММС может использоваться для сохранения архива проекта и регистрации данных. При перебоях в питании контроллера в этой карте выполняется необслуживаемое сохранение всех текущих данных.

Группа сигнальных модулей включает в свой состав модули ввода/вывода дискретных и аналоговых сигналов. Помимо простейших модулей ввода/вывода в эту группу входят модули с расширенным набором диагностических функций, способные формировать аварийные сообщения об отказах в работе внутренней электроники, коротких замыканиях или обрывах внешних цепей. Целый ряд модулей ввода аналоговых сигналов отличается высокой универсальностью и может быть использован для работы на различных пределах измерений. Например, в модуле 6ES7 331-1KF01-0AB0 каждый из 8 каналов настраивается независимо от других и может использоваться для измерения унифицированных сигналов силы тока или напряжения, сопротивления или температуры (с термопарами или термометрами сопротивления).

Функциональные модули S7-300 – это интеллектуальные модули ввода/вывода, оснащенные встроенным микропроцессором и ориентированные на решение типовых задач автоматизации: скоростного счета, позиционирования, ПИД-регулирования, скоростной обработки логических сигналов и т.д. Применение функциональных модулей позволяет разгрузить центральный процессор контроллера от выполнения ресурсоемких задач. Более того, целый ряд функциональных модулей может выполнять возложенные на них функции даже в случае остановки центрального процессора программируемого контроллера.

Набор коммуникационных процессоров S7-300 позволяет производить подключение контроллера к сетям Industrial Ethernet, PROFINET, PROFIBUS, AS-Interface,  поддерживать обмен данными через Internet, поддерживать связь через последовательные интерфейсы RS-232, RS-422/RS- 485 или TTY (20 мА).

Все модули монтируются на профильную шину S7-300. Подключение к внутренней шине контроллера осуществляется с помощью специальных соединителей, входящих в комплект поставки каждого модуля. Подключение внешних цепей выполняется через съемные фронтальные соединители, закрываемые пластиковыми дверцами. Наличие фронтальных соединителей упрощает выполнение монтажных работ и позволяет производить замену модулей без демонтажа из внешних цепей. Первая установка фронтального соединителя на модуль автоматически сопровождается операцией его механического кодирования. В дальнейшем данный фронтальный соединитель может быть установлен только на модуль такого же типа.

Параметры настройки функциональных и коммуникационных модулей сохраняются в памяти центрального процессора. Это позволяет выполнять замену интеллектуальных модулей без повторного конфигурирования системы.


SIMATIC S7-400

SIMATIC S7-400 – это самые мощные программируемые контроллеры семейства SIMATIC. Они предназначены для решения сложных задач автоматического управления, обладают высокой производительностью, поддерживают мультипроцессорные конфигурации и способны обслуживать до 131072 дискретных или до 8192 аналоговых каналов ввода/вывода.

Высокая производительность контроллера обеспечивается не только высокой вычислительной мощностью центральных процессоров, но и поддержкой параллельного доступа к памяти программ и памяти данных.

S7-400 имеет модульную конструкцию и позволяет использовать в своем составе модули блоков питания, модули центральных процессоров, сигнальные, функциональные, коммуникационные и интерфейсные модули. Для всех модулей систем локального и распределенного ввода/вывода поддерживаются функции «горячей» замены. При необходимости контроллер может комплектоваться резервированными блоками питания.

Все сказанное о сигнальных, функциональных и коммуникационных модулях контроллера S7-300 в полной мере распространяется и на модули контроллера S7-400.

Контроллер может комплектоваться 7 типами центральных процессоров. При необходимости в одном контроллере S7-400 может устанавливаться до 4 центральных процессоров. Все центральные процессоры оснащены встроенным комбинированным интерфейсом MPI/DP, большинство процессоров имеет дополнительные интерфейсы PROFIBUS DP. Отличительной чертой встроенных интерфейсов MPI является поддержка скорости передачи данных 12 Мбит/с.

S7-400 обладает исключительно мощными коммуникационными возможностями. Множество инженерных решений учитывает эту особенность S7-400 и базируется на использовании только систем распределенного ввода/вывода этого контроллера. S7-400 идеально вписывается в подобные конфигурации. Например, S7-400, включающий в свой состав модуль блока питания, центральный процессор CPU 417-4 и коммуникационный процессор CP 443-1, Advanced обеспечивает возможность подключения к 4 сетям PROFIBUS DP и 4 сетям Industrial Ethernet или PROFINET.

Существенным преимуществом программируемых контроллеров S7-400 является поддержка технологии CiR и тактовой синхронизации в сетях PROFIBUS и PROFINET.

Технология CiR (Configuration in RUN) позволяет вносить изменения в конфигурацию системы управления без ее остановки и без остановки соответствующего производственного или технологического процесса. CiR позволяет:
- добавлять новые или удалять существующие станции распределенного ввода/вывода и приборы полевого уровня, выполняющие функции ведомых устройств PROFIBUS DP/PA;
- добавлять новые или удалять существующие модули станций распределенного ввода/вывода SIMATIC ET 200M;
- выполнять перенастройку модулей станции SIMATIC ET 200M (например, в случае замены одних датчиков другими);
- отменять введенные конфигурации.

Поддержка режима тактовой синхронизации позволяет синхронизировать множество циклов в системе распределенного ввода/вывода: циклов выполнения программы контроллера, циклов обмена данными через PROFIBUS DP, циклов обслуживания входов и выходов станций распределенного ввода/вывода и т.д. Исчезают погрешности, вызываемые временным рассогласованием считываемой информации, существенно повышается точность работы распределенных измерительных систем, систем позиционирования и автоматического регулирования.

Для построения систем управления с повышенными требованиями к надежности их функционирования могут использоваться программируемые контроллеры SIMATIC S7-400H. S7-400H состоит из двух идентичных подсистем, работающих по принципу «ведущий-ведомый». Каждая подсистема в обязательном порядке включает в свой состав один или два блока питания и центральный процессор. При необходимости эти подсистемы могут дополняться другими модулями. Центральные процессоры двух подсистем связаны между собой двумя каналами синхронизации на основе оптических кабелей.

При использовании стандартных вариантов построения системы ввода/вывода все функции резервирования берет на себя операционная система центральных процессоров S7-400H. Это позволяет выполнять разработку программы контроллера без учета наличия в системе двух центральных процессоров, наличия резервированных каналов ввода/вывода и резервированных коммуникационных каналов. Программа, написанная для стандартного контроллера S7-400, может быть загружена в S7-400H и использоваться для обслуживания резервированной системы. При самом неблагоприятном стечении обстоятельств безударное включение резерва в S7-400H происходит не более чем за 100 мс.

Для построения S7-400H могут использоваться только центральные процессоры типов CPU 414-4H и CPU 417-4H. По своим техническим характеристикам эти центральные процессоры наиболее близки к CPU 414-3 и CPU 417-4 соответственно. Отличие состоит в составе используемых интерфейсов и операционной системе. Каждый Н-CPU оснащен одним комбинированным интерфейсом MPI/DP, одним интерфейсом PROFIBUS DP и двумя гнездами для установки модулей синхронизации.

Программируемые контроллеры S7-400H обеспечивают расширенную поддержку технологии CiR, позволяя изменять некоторые параметры настройки центральных процессоров, а также состав модулей ввода/вывода в монтажных стойках контроллера.

Для программирования, конфигурирования аппаратуры и систем промышленной связи, настройки параметров и диагностики программируемых контроллеров SIMATIC S7-300/ -400 используется пакет STEP 7. Кроме того, для программирования контроллеров этих типов могут использоваться инструментальные средства проектирования, включающие в свой состав языки программирования высокого уровня S7-SCL, S7-GRAPH, S7-HiGraph, CFC и т.д.

Siemens_pic2.jpg
Рис. Семейство модульных программируемых контроллеров SIMATIC S7-400


SIMATIC WinAC

SIMATIC WinAC представляет собой комплекс средств для реализации полноценных решений в области промышленной автоматизации на базе ПК. В состав этого комплекса входят компоненты для создания приложений «мягкого» и «жесткого» режимов реального масштаба времени, программные средства визуализации, интерфейсы для обмена данными со стандартными программными продуктами, компоненты подключения к информационным сетям, средства разработки и т.д. Такое разнообразие возможностей гарантирует каждому пользователю минимизацию затрат на системную интеграцию.

В качестве аппаратной платформы может выступать любой стандартный персональный компьютер или персональный компьютер в промышленном исполнении. Комбинация программного продукта SIMATIC WinAC с персональным компьютером SIMATIC РС представляет собой готовое полноценное решение «под ключ», внедрение которого существенно сократит время, необходимое на проведение работ по проектированию и вводу в промышленную эксплуатацию.

Определяющую роль при принятии решения в пользу гибко программируемого контроллера или системы на базе ПК играет наличие дополнительных, не связанных непосредственно с проблемой технологического управления задач, таких, например, как задач обработки данных, функций визуализации или коммуникации. Чем выше доля задач такого рода, тем более выгодным может оказаться применение систем на базе ПК.

Управление на базе ПК при помощи пакета SIMATIC WinAC – это намного больше, чем просто программный вариант гибко программируемого контроллера. Исключительную роль играет полностью совместимая с контроллерами SIMATIC S7 компонента WinAC-Controlling со встраиваемой в ПК картой. Эта компонента не только берет на себя загрузку и запуск программы управления, но также и является для системы средством доступа к устройствам децентрализованной периферии по шине PROFIBUS-DP, а также предоставляет богатые функции диагностики. В качестве средства визуализации может использоваться компонента SIMATIC WinCC, которая оптимальным образом интегрируется в WinAC. Для тех, кто хочет использовать другое программное обеспечение HMI, существует возможность интеграции этого программного обеспечения через интерфейсы OLE или OPC. В настоящий момент  технология WinAC также включает в свой состав также компоненты регулирования и позиционирования. WinAC-Computing позволяет связывать данные технологических процессов с такими стандартными программными приложениями, как Excel или Access. И конечно же, в рамках системы существует компонента (WinAC-Networks), которая позволяет осуществлять подключение к стандартным вычислительным сетям (например TCP/IP).

Для проектирования и программирования системы используются те же инструментальные средства STEP7, что и для контроллеров SIMATIC S7 (например, AWL, KOP, FUP, SCL, программирование технологических цепочек).

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 1(21)_2009

ООО «Сименс», г. Москва,
Департамент «Промышленная автоматизация»,
Системы автоматизации,
тел.: (495) 737-24-41,