1. Реализация системы слежения за координатой сварного шва с помощью плк

Конфигурация ПЛК SIMATIC S7-400 для реализации системы слежения за координатой сварного представлена в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Конфигурация ПЛК SIMATIC S7-400.

Наименование модуля	Назначение	Количество
PS 407 20A	Блок питания процессорной корзины и корзин расширения	2
CPU 417-4	Модуль центрального процессора	1
CP 441-2	Коммуникационный процессор	2
CP 443-1 IT	Коммуникационный процессор Industrial Ethernet	1
CP 443-5	Коммуникационный процессор Profibus	1
FM 450-1	Функциональный модуль	1
IM 460-0	Ведущий модуль расширения	1
IM 461-0	Ведомый модуль расширения	1
SM 421 DI 161	Модуль ввода дискретных сигналов	4
SM 422 DO 168	Модуль вывода дискретных сигналов	2

1. Модуль блока питания корзины PS 407 20A

Модуль предназначен для питания контроллера SIMATIC S7-400 напряжениями 5 В и 24 В. Питание к модулям подается по шине контроллера. В зависимости от типа входное напряжение модулей питания может составлять ~120/230 В или 24 В. В каждую монтажную стойку должен быть установлен свой модуль блока питания (рис.11). Модуль блоков питания устанавливаются в крайние левые разъемы монтажной стойки (начиная с разъема 1). В зависимости от типа модуль питания может занимать от 1 до 3 разъемов монтажной стойки. Все модули блоков питания работают с естественным охлаждением.

Рис.11. Установка модулей в монтажную стойку.

2) Модуль центрального процессора CPU 417-4

Центральный процессор для больших установок, требующих расширенного программирования и скоростного выполнения инструкций. Имеет четыре встроенных интерфейса PROFIBUS-DP. С программатором центральный процессор связывается с помощью интерфейса MPI.

Технические характеристики центрального процессора CPU 417-4 представлены в таблице 2.2

Таблица 2.2 Технические характеристики центрального процессора CPU 417-4

1) Объем встроенного ОЗУ:	4 Мбайт с расширением до 20 Мбайт.
2) Объем загружаемой памяти:	встроенной 256 Кбайт RAM, расширение 64 Мбайт (карта).
3) Количество блоков (FB/FC/DB):	6144/6144/8192.
4) Организационные блоки: - свободного цикла - прерываний времени и даты - прерываний задержки - прерываний сторожевого таймера - прерываний процесса - мультикомпьютерных прерываний - прерываний фоновых процессов - запуска - асинхронных ошибок - синхронных ошибок	OB1 OB10…17 OB20…23 OB30…38 OB40…47 OB60 OB90 OB100…102 OB80…87 OB121,122
5) Время выполнения: - операций над битами - операций над словами - операций с фиксированной точкой - операций с плавающей точкой	0,1 мкс 0,1 мкс 0,1 мкс 0,48 мкс
6) Общее количество битов памяти Количество счетчиков Количество таймеров	16384 512 512
7) MPI интерфейс: - количество станций - объем глобальных данных - активные соединения (MPI и K-bus) - скорость передачи	32 (программаторы, ПЭВМ, панели операторов, S7-300, S7-400, процессоры с 64 активными соединениями). 64 байта на сообщение, до 16 передаваемых и до 32 принимаемых сообщений. 64 до 12 Мбит/с (не более 100м).
8) Потребляемый ток (5В/24В) Потребляемая мощность Габариты Масса:	1.8А/0.3А 10Вт 50х290х210мм 1.15кг
9) Количество модулей: - Функциональных (FM) - СР, PPI - СР, LAN	94 94 есть
10) Программно управляемых циклов	1024.

2.1) Описание сети PROFIBUS

PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) – это промышленная сеть, которая используется для организации связи между программируемыми контроллерами с одной стороны, и станциями распределенного ввода-вывода ET 200, устройствами человеко-машинного интерфейса и другими приборами с другой (рис. 12). Кроме того, PROFIBUS позволяет выполнять дистанционное программирование и конфигурирование систем автоматизации, их отладку и диагностирование.

Рис.12. Сеть PROFIBUS.

PROFIBUS является открытой системой и позволяет использовать как электрические, так и оптические каналы связи. В последнем случае существенно возрастает стойкость сети к воздействию электромагнитных помех. Существенному снижению затрат на построение оптоволоконных каналов связи способствует наличие широкой гаммы интерфейсных модулей, коммуникационных процессоров и других сетевых компонентов, оснащенных встроенным оптическим интерфейсом.

Конструктивные особенности:

PROFIBUS позволяет использовать следующие протоколы передачи данных:

PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification (спецификация сообщений полевого уровня) – используется для решения универсальных коммуникационных задач;

PROFIBUS-PA (Process Automation (автоматизация процессов) – используется для организации обмена данными с оборудованием, расположенным в зонах повышенной опасности. С его помощью производится передача данных по сети, отвечающей требованиям международного стандарта IEC 1158-2, а также согласование работы сетей PROFIBUS-DP и PROFIBUS-PA;

PROFIBUS-DP (Distributed I/O stations (скоростной протокол обмена данными с периферийным оборудованием) – ориентирован на организацию связи с устройствами распределенного ввода-вывода. Он обеспечивает высокоскоростной циклический обмен небольшими объемами данных.

Все протоколы могут быть использованы совместно в рамках одной сети.

Время цикла шины пренебрежительно мало благодаря наличию множества сервисных функций, обеспечивающих передачу сообщений по сети PROFIBUS и повышенной скорости передачи данных.

Характеристика PROFIBUS-DP:

• до 125 узлов на сеть; до 32 узлов на сегмент;

• метод эстафетной передачи данных между ведущими сетевыми узлами с использованием механизма ведущий-ведомый на нижнем уровне;

• скорость передачи данных 9,6/19,2/93,75/187,5/500 Кбит/с, а также 1,5/3/6/12 Мбит/с;

• передача данных по витой паре или оптоволоконному кабелю;

• широкий спектр сетевых компонентов полевого уровня;

• широкий спектр применений сети;

• дистанционное программирование по сети;

• простота расширения по мере развития производства;

• автоматическое определение скорости передачи данных в сети;

• открытая система, позволяющая использовать в своем составе оборудование других фирм-производителей;

• простая и ясная архитектура;

• межузловая передача данных от ведомых устройств;

• неизменная продолжительность цикла.

Принцип действия:

Все сетевые узлы используют общую среду передачи. Доступ активных устройств к шине разделен во времени. Для этой цели в PROFIBUS используются комбинированные процедуры доступа (метод эстафетной передачи на верхнем уровне и механизм ведущий-ведомый на нижнем уровне).

Процедуры доступа разделяются между:

- активными сетевыми узлами (ведущими устройствами);

- пассивными сетевыми узлами (ведомыми устройствами).

В любой момент времени операциями передачи данных в сети управляет активный узел, получивший эстафетную передачу. После истечения времени, отведенного на работу данного активного узла, эстафета передается следующему активному узлу и т.д. Если очередное активное устройство не готово к выполнению коммуникационных задач, то эстафета незамедлительно передается следующему активному узлу.

Пассивные узлы, такие как станции распределенного ввода-вывода ET 200, не способны управлять процессом передачи данных. Они способны лишь принимать и передавать данные своему ведущему устройству.

Конфигурирование:

Для конфигурирования, установки параметров, запуска и диагностирования сети PROFIBUS-DP разработаны удобные и простые в использовании инструментальные средства. Для программируемых контроллеров SIMATIC S7-400 все необходимые для этой цели инструментальные средства интегрированы в пакет STEP 7.

2.2) Описание интерфейса MPI

MPI интерфейс встроен во все модули центральных процессоров. Он используется для решения широкого круга задач:

• программирования и установки значений параметров;

• обслуживания устройств человеко-машинного интерфейса;

• построения простых сетевых структур;

• подключения до 32 сетевых станций, в качестве которых могут выступать программаторы или компьютеры, оснащенные пакетом STEP 7, устройства человеко-машинного интерфейса (панели операторов), системы автоматизации S7-300, M7-300, S7-400, M7-400 и C7.

• поддержки до 64 активных соединений. Активные соединения могут быть установлены с MPI станциями; со станциями К-шины (например, с коммуникационными процессорами); со станциями, подключенными через коммуникационные процессоры (например, со станциями Industrial Ethernet; коммуникационный процессор при этом должен быть станцией К-шины).

• обслуживания внутренней связи по К-шине. Коммуникационные процессоры и функциональные модули, подключенные к К-шине, могут связываться через MPI или DP интерфейсы с центральным процессором. Это обеспечивает прямой доступ с программатора к модулям К-шины. С помощью интерфейсных модулей через К-шину может быть обеспечен доступ к 6 стойкам расширения.

• обеспечения настройки параметров. Один программатор, подключенный к сети MPI, получает доступ ко всем партнерам по связи.

• передачи информации со скоростью до 12 Мбит/с. Расстояние между двумя смежными станциями или узлами MPI сети может составлять 50м без повторителей, 1100 м с двумя повторителями, 9100м с 10 повторителями. При использовании волоконно-оптической линии связи передача информации может производиться на расстояние до 23.8 км.

• обеспечения гибкого расширения системы. В MPI конфигурациях могут быть использованы шинные соединители и повторители RS 485, с помощью которых к сети могут быть подключены устройства распределенного ввода-вывода, а также увеличено расстояние между двумя любыми узлами сети.

Рис.13. Сеть MPI.

3) Коммуникационный процессор CP 441-2

Коммуникационный процессор СР 441-2 предназначен для организации скоростного обмена данными в последовательном формате по PPI интерфейсу. PPI соединение позволяет организовать связь:

• между программируемыми контроллерами SIMATIC S7 и SIMATIC S5, а также контроллерами других производителей;

• с персональными компьютерами и программаторами;

• с принтерами;

• с системами управления роботами;

• со сканнерами, считывателями штрих кодов и т.д.

СР 441-2 содержит два скоростных PPI интерфейса.

Конструкция:

Модули выпускаются в пластиковых корпусах. На их лицевых панелях расположены светодиоды “Send” (передача), “Receive” (прием) и “Error” (ошибка). В корпусе модуля CP 441-2 установлены два интерфейсных субмодуля . Интерфейсные субмодули выпускаются в нескольких вариантах и обеспечивают передачу данных по интерфейсам RS 232C (V.24), RS 422/485 (Х.27) или 20мА токовой петле (TTY).

Функции:

Модуль CP 441-2 способен поддерживать несколько протоколов передачи данных:

• 3964 (R): для связи с приборами и устройствами производства фирмы SIEMENS.

• RK 512: для связи с компьютерами

• Драйвер принтера : для управления работой принтера

• ASCII: для простой связи с аппаратурой других фирм

• Определяемый пользователем протокол

Параметрирование:

• Конфигурирование с помощью утилит, встроенных в STEP 7: выбор протокола передачи и установка необходимых настроек драйверов.

• Конфигурирование через центральный процессор контроллера: К центральному процессору подключается программатор, который связывается с коммуникационным процессором по К-шине. Параметры конфигурирования записываются в блок данных и сохраняются в карте памяти центрального процессора. При замене коммуникационного процессора новый модуль использует эти данные для настройки и немедленно вступает в работу.

• Экранные формы параметрирования: позволяют выполнять все необходимые операции по настройке параметров связи, используя экранные формы и описание.

В системе слежения за координатой сварного шва данный коммуникационный процессор предназначен для связи с толщиномерами.

4) Коммуникационный процессор 443-1 IT

Назначение:

Коммуникационный процессор CP 443-1 IT предназначен для подключения контроллеров SIMATIC S7-400 к сети Industrial Ethernet. Скорость передачи данных может составлять 10/100 Мбит/с. Он способен работать в комбинированном режиме, обеспечивая выполнение S7, PG/OP и IT функций связи, а также S5-совместимой связи через ISO и TCP/IP. Переключение интерфейсов AUI (Attachment Unit Interface – интерфейс подключаемого устройства) и ITP (Industrial Twisted Pair – промышленная витая пара) выполняется автоматически. Модуль обеспечивает поддержку Web функций и доступ к данным через стандартный броузер, а также передачу сообщений по электронной почте. Модуль обеспечивает возможность обмена данными:

- c программаторами и устройствами человеко-машинного интерфейса;

- c другими системами автоматизации SIMATIC S7;

- c системами автоматизации SIMATIC S5.

Конструкция:

Модуль выпускается в пластиковом корпусе и оснащен встроенным микропроцессором. На лицевой панели модуля расположено 15-полюсное гнездо соединителя D-типа для подключения к сети (AUI/ITP), а также гнездо RJ 45 для подключения к 10BaseT или 100BaseTX. Он устанавливается в любой свободный разъем монтажной стойки и подключается к контроллеру через его внутреннюю шину. Модуль работает с естественным охлаждением и не требует использования буферных защитных батарей.

Функции:

• Связь с программирующими устройствами;

• Связь с устройствами человеко-машинного интерфейса;

• Связь с другими системами SIMATIC S7;

• Интернет-сервер: HTML-страницы могут загружаться и просматриваться стандартными браузерами.

• Интернет-страницы по умолчанию: для наблюдения за контроллером S7-400. Эти страницы можно создать любыми средствами HTML.

• E-mail: Сообщения отправляются из пользовательской программы через вызовы функции FC.

Конфигурирование:

Для конфигурирования CP 441-1 IT необходим пакет STEP 7 с NCM S7 для Industrial Ethernet V5.0 или более поздних версий. Параметры настройки коммуникационных процессоров могут быть сохранены в памяти центрального процессора контроллера. Это позволяет сохранять параметры настройки при сбоях в питании контроллера, а также производить замену коммуникационных процессоров без их повторного конфигурирования. При запуске контроллера центральный процессор передает в коммуникационный процессор все необходимые параметры настройки. Программирование и конфигурирование всех сетевых станций SIMATIC S7 может выполняться дистанционно через сеть. WWW страницы создаются стандартными редакторами и загружаются в модуль стандартными инструментальными средствами (FTP).

5) Коммуникационный процессор 443-5

Коммуникационный процессор CP 443-5 требуется SIMATIC S7-400 для присоединения к PROFIBUS-DP и выполнения функций ведущего сетевого устройства. Он уменьшает загрузку центрального процессора задачами коммуникации и также поддерживает широкий ранг коммуникационных задач. При использовании коммуникационных модулей коммуникационные возможности S7-400 позволяют:

• интерфейс master для PROFIBUS-DP в соответствии EN 50 170.

• коммуникации с программаторами и системами человеко-машинного интерфейса.

• коммуникации с другими системами SIMATIC S7.

• коммуникации с SIMATIC S5 PLC.

• количество коммуникационных процессоров, которое должно использоваться в системе определяется функциональным объемом ЦПУ и используемыми сервисами.

Конструкция:

Коммуникационный процессор CP 443-5 выполнен в дизайне семейства SIMATIC S7-400:

• конструкция компактна: 9-pin sub-D гнездо для подключения к PROFIBUS;

• модуль одинарной ширины;

• простая установка: CP 443-5 устанавливается в в любые свободные разъемы монтажной стойки S7-400 и соединяется по задней шине корзины с другими модулями S7-400;

• удобный для использования монтаж:: Sub-D гнезда и клемники очень доступны и просты в сборке и обслуживании;

• CP 443-5 может работать естественным охлаждением без вентилятора. Нет необходимости, как в применении резервных батарей, так и модулей памяти.

Конфигурирование:

Конфигурирование коммуникационного процессора CP 443-5 производится с помощью пакетов программ STEP 7 и NCM S7 для PROFIBUS. Для выполнения операций конфигурирования пакет NCM S7 для PROFIBUS должен быть интегрирован в среду STEP 7. Конфигурирование с самостоятельным использованием NCM S7 для PROFIBUS невозможно. NCM S7 для PROFIBUS входит в комплект поставки STEP 7 от версии 5.0 и выше. Для более ранних версий STEP 7 пакет NCM S7 для PROFIBUS необходимо заказывать отдельно. STEP 7/NCM S7 от версии 5.0 и выше позволяют сохранять параметры настройки коммуникационных процессоров в памяти центрального процессора контроллера. Это позволяет сохранять параметры настройки при сбоях в питании контроллера, а также производить замену коммуникационных процессоров без их повторного конфигурирования. При запуске контроллера центральный процессор передает в коммуникационный процессор все необходимые параметры настройки. Программирование и конфигурирование всех сетевых станций SIMATIC S7 может выполняться дистанционно через сеть. Конфигурирование S7 функций связи выполняется с помощью пакета STEP 7. Необходимые функции (FC) для обеспечения работы интерфейса SEND/RECEIVE, а также примеры его конфигурирования входят в комплект поставки пакета NCM S7 для PROFIBUS. Функции системной диагностики поддерживаются пакетом STEP 7. Поддержку функций связи PROFIBUS-DP может обеспечивать только коммуникационный процессор CP 443-5 Extended.

6) Функциональный модуль FM 450-1

Назначение:

FM 450-1 – это интеллектуальный модуль 2-канального счетчика. Он может быть использован в составе систем SIMATIC S7-400 и SIMATIC M7-400.

Модуль позволяет разгрузить центральный процессор от выполнения следующих задач:

• непосредственного подключения к счетному входу и обработки сигналов инкрементального декодера позиционирования;

• непосредственного подключения к встроенным дискретным входам датчиков импульсных сигналов (фотоэлектронных барьеров и т.д.) и обработки этих сигналов;

• выполнения функций сравнения и формирования выходных дискретных сигналов через встроенные дискретные выходы.

Принцип действия:

Модуль FM 450-1 способен обрабатывать сигналы инкрементальных декодеров позиционирования, следующих с частотой до 500 кГц. Управление направлением счета производится с помощью внешних импульсных сигналов

Воздействие на процесс может осуществляться двумя способами:

• с помощью дискретных выходов;

• передачей сигналов по шине контроллера: FM 450-1 способен

формировать запросы на прерывание центрального процессора.

Запросы передаются по шине контроллера.

Функции:

• Два 32-разрядных канала для суммирующего или вычитающего счета;

• частота тактовых импульсов до 500 кГц (для датчиков с RS422);

• диапазон счета от 0 до 32 бит или ±31 бит;

• однократный или периодический счет;

• Простое, двойное или квадратурное преобразование;

• Возможность подключения инкрементальных декодеров;

• Импульсное управление по уровню;

• Установка с помощью дискретных входов;

• Возможность предварительной установки счетчика;

• Функции сравнения с двумя заданными пользователем значениями;

• Формирование прерываний при достижении заданных значений, прохождении нулевой точки, переполнении (выбирается);

• 24 В выходные сигналы, формируемые по результатам выполнения операций сравнения.

Настройка параметров:

Настройка параметров модуля выполняется с помощью экранных форм параметрирования, встроенных в STEP 7.

7) Интерфейсные модули IM 460-0 и IM 461-0

Назначение:

Интерфейсный модуль IM 460-0 используется для построения централизованных конфигураций ввода-вывода с удалением стоек расширения на расстояние до 3 м. Модуль может устанавливаться в центральный контроллер на базе монтажных стоек UR1, UR2, CR2. К модулю может подключаться до 8 стоек расширения (до 4 стоек на интерфейс). В центральном контроллере может устанавливаться до 6 модулей IM 460-0. Интерфейсный модуль используется для передачи информации K-шины контроллера. Для организации связи в стойках расширения должны использоваться интерфейсные модули IM 461-0.

Конструкция:

Модуль характеризуется следующими показателями:

• 3 светодиода индикации отказов;

• 2 интерфейса для подключения линий расширения с помощью

соединительного кабеля 468-1.

Модуль IM 461-0 используется в качестве приемника, устанавливаемого в стойки расширения централизованной конфигурации. Расстояние между центральным контроллером и стойкой расширения может достигать 3 м. Модуль может устанавливаться в монтажные стойки следующих типов UR1, UR2, ER1 и ER2. Передача осуществляется по P- и K-шинам. IM 461-0 способен поддерживать связь с интерфейсным модулем IM 460-0, устанавливаемым в стойку центрального контроллера.

Конструкция:

Модуль включает в свой состав:

• 2 светодиода индикации отказов;

• приемный интерфейс: для подключения линии связи, выполненной соединительным кабелем 468-1;

• один передающий интерфейс: для подключения линии связи, выполненной соединительным кабелем 468-1. В последнем интерфейсе на линии должен быть подключен терминальный резистор;

• кодовый переключатель: для кодирования номера стойки;

• отсек для установки буферной батареи: для подключения внешней буферной батареи на время замены блока питания стойки.

8) Модуль ввода дискретных сигналов SM 421

Назначение:

Модули ввода дискретных сигналов выполняют преобразование входных дискретных сигналов контроллера в его внутренние логические сигналы.

Конструкция:

Модули характеризуются следующими показателями:

• Компактное исполнение.

• Пластиковый корпус снабжен: зелеными светодиодами индикации состояний входных цепей; одним красным светодиодом индикации внешних и внутренних отказов и ошибок в модулях с диагностикой; маркировочной полосой.

• Удобное подключение внешних цепей: все внешние цепи подключаются к фронтальному соединителю модуля.

9) Модуль вывода дискретных сигналов SM 422

Назначение:

Модули вывода дискретных сигналов выполняют преобразование внутренних логических сигналов контроллера в его выходные дискретные сигналы.

Конструкция:

Модули вывода дискретных сигналов характеризуются:

• Компактное исполнение;

• В пластиковый корпус встроены: зеленые светодиоды индикации состояний выходных цепей; один красный светодиод для индикации внутренних и внешних отказов и ошибок, а также целостности предохранителей в цепи нагрузки и исчезновения напряжения питания нагрузки в модуле;

Удобство подключения внешних цепей: Внешние цепи подключаются к фронтальному соединителю модуля.