5.3.3. Контроллеры simatic

Программируемые микропроцессорные контроллеры Simatic S7-200, S7-300, S7-400 изготавливает фирма Siemens (Германия).

Семейство микроконтроллеров Simatic S7-200, различающихся прежде всего типами центральных процессоров (всего их 4), предназначено для создания систем локального управления, работающих как автономно, так и в составе общей информационной сети. Имеют встроенный PPI интерфейс для соединения с программаторами и панелями оператора, коммуникационный интерфейс RS-485 для работы в сети и пакет программирования Step-7.

Семейство микроконтроллеров Simatic S7-300, включающее в себя 7 типов центрального процессора, позволяет создавать системы автоматического управления технологическими объектами различной степени сложности. Это достигается также благодаря наличию большой номенклатуры сигнальных, функциональных, коммуникационных и интерфейсных модулей.

К достоинствам контроллера Simatic S-300 можно отнести следующее:

• Высокая вычислительная мощность, полный набор команд, MPI интерфейс и возможность подключения к сети делают S-300 чрезвычайно мощной микроконтроллерной системой;

• Интегрированные функции диагностики;

• Простота в подключении;

• Модульный принцип построения системы дает неограниченные возможности монтажа;

• Быстрая обработка отдельных команд существенно уменьшает время цикла программы;

• С помощью различных модулей и 7 различных процессоров, можно найти наилучшее решение для любой задачи автоматизации;

• Возможность использования HMI, Step 7 и дополнительных средств инженеринга делают S-300 универсальным контроллером;

• Новая серия SIMATIC с расширенным диапазоном температур применения делают возможным монтаж не только в закрытом помещении;

• Небольшие размеры модулей обеспечивают компактность системы.

Контроллер S7-300 имеет 4 модификации, предназначенные для различных областей применения:

• S-300: автоматизация машин и оборудования в промышленности;

• S-300 С: представляет собой готовый блок управления для отдельных технологических машин и установок;

• S-300 Outoloor: для тяжелых промышленных условий (автомобилестроение, химическая промышленность);

• S-300 F: для создания систем безопасного управления, в которых отказы не влекут за собой появление опасности для жизни персонала и не приводят к загрязнению окружающей среды.

Тип модуля центрального процессора	CPU 312 IFM	CPU 313	CPU 314 IFM (CPU 314)	CPU 315	CPU 315-2DP	CPU 316-2DP	CPU 318- 2DP
ОЗУ для программ и данных	6 Kbyte	12 Kbyte	32 Kbyte	48 Kbyte	64 Kbyte	128 Kbyte	512 Kbyte
Время выполнения 1К двоичных команд	0,6 ms	0,6 ms	0,3 ms	0,3 ms	0,3 ms	0,3 ms	0,1 ms
Меркеры	1024	2048	2048	2048	2048	2048	8192
Счетчики	32	64	64	64	64	64	512
Таймеры	64	128	128	128	128	128	512
Цифровые входы/ выходы, максимум/ встроенные	128/16	128/0	548 (512)/ 36(0) (CPU314)	1024/0	2048/0 (свободная адресация)	4096/0	16384/0
Аналоговые входы/ выходы, максимум	32	32	69/5 встроенные	128	256 (свободная адресация)	512	2048
Приборы обслуживания и наблюдения	есть	есть	есть	есть	есть	есть	есть

Технические характеристики центральных процессоров семейства контроллеров SIMATIC S7-300:

Контроллеры S7-300 имеют модульную конструкцию и могут включать в свой состав (рис. 5.13):

• Модуль центрального процессора CPU. В зависимости от степени сложности решаемой задачи в контроллерах могут быть использованы различные типы центральных процессоров, отличающихся производительностью, объемом памяти, наличием или отсутствием встроенных входов/выходов и специальных функций, количеством и видом встроенных коммуникационных интерфейсов;

• Сигнальные модули SM, предназначенные для ввода/вывода дискретных и аналоговых сигналов с различными электрическими и временными параметрами;

• Коммуникационные процессоры CP для подключения к сетям PROFIBUS, Ethernet, AS интерфейсу или организации связи по PTP – интерфейсу (от точки к точке);

• Функциональные модули FM, способные самостоятельно решать задачи автоматического регулирования, позиционирования, обработки сигналов. Функциональные модули снабжены встроенным микропроцессором и способны выполнять возложенные на них функции даже в случае отказа центрального процессора;

• Модули блоков питания PS, обеспечивающие возможность питания контроллера от сети переменного тока напряжением 220 В или от источника постоянного тока напряжением 24/48/60/110 в;

• Интерфейсные модули IM, обеспечивающие возможность подключения к базовому блоку (стойка CPU) стоек расширения ввода/вывода. Контроллеры S7-300 позволяют использовать в своем составе до 32 сигнальных и функциональных модулей, а также коммуникационных процессоров, распределенным по 4 монтажных стойкам. Все модули работают с естественным охлаждением.

Конструкция контроллера отличается высокой гибкостью и удобством обслуживания:

• Все модули легко устанавливаются на профильную рейку и фиксируются на установленных местах винтом;

• Во все модули, кроме модулей блоков питания, встроены участки внутренней шины контроллера. Соединение этих участков выполняется шинными соединителями, устанавливаемыми на тыльной стороне корпуса;

• Наличие фронтальных соединителей, позволяющих производить замену модулей без демонтажа всех внешних соединений и упрощающих выполнение операций подключения внешних цепей модулей;

Рис. 5.13. Конструкция S7-300

• Подключение внешних цепей через фронтальные соединители с контактами по винт или пружинными контактами. Механическое кодирование фронтальных соединителей, исключающее возможность возникновения ошибок при замене модулей;

• Применение модульных и гибких соединителей Top Connect, существенно упрощающих монтаж шкафов управления;

• Единая для всех модулей глубина установки. Все кабели располагаются в монтажных каналах модулей и закрываются защитными дверцами;

• Произвольный порядок размещения модулей в монтажных стойках. Фиксированные места должны занимать только блоки питания, центральные процессоры и интерфейсные модули.

Система ввода/вывода S7-300 может включать в свой состав две части: а) систему локального ввода/вывода, образуемого сигнальными модулями, устанавливаемыми в монтажные стойки контроллера (от одной до четырех стоек с количеством до 8 СМ в каждой); б) систему распределительного ввода/вывода и приборы полевого уровня, подключаемые к контроллеру через сети Profibus-DP или AS интерфейс.

На рис. 5.14 показана схема контроллера S7-300 с четырьмя монтажными стойками, содержащая 32 модуля локального ввода/вывода.

Рис. 5.14. Контроллер S7-300

с четырьмя монтажными стойками

Контроллеры Simatic S-300 оснащены широким набором функций, позволяющих в максимальной степени упростить процесс разработки программы, ее отладки, снизить затраты на обслуживание контроллера в процессе его эксплуатации:

• Высокое быстродействие, обеспечивающее существенное расширение спектра допустимых областей применения контроллеров;

• Поддержка математики с плавающей запятой, позволяющая выполнять эффективную обработку данных;

• Удобный интерфейс для настройки параметров: для настройки параметров всех модулей используется единый набор инструментальных средств с общим интерфейсом;

• Человеко-машинный интерфейс. Функции обслуживания человеко-машинного интерфейса встроены в операционную систему контроллера. Эти функции позволяют существенно упростить программирование. Система или устройство человеко-машинного интерфейса запрашивает необходимые данные у контроллера, контроллер передают запрашиваемые данные с заданной периодичностью. Все операции по обмену данными выполняются автоматически под управлением операционной системы контроллера. Все задачи выполняются с использованием одинаковых символьных имен и общей базы данных;

• Диагностические функции, встроенные в операционную систему контроллера. С их помощью осуществляется непрерывный контроль функционирования системы, выявляются все возникающие отказы. Все диагностические сообщения с отметками даты и времени накапливаются в кольцевом буфере для последующего анализа;

• Парольная защита обеспечивает эффективную защиту программы от несанкционированного доступа, попыток копирования и модификации программы.

Большое количество модулей программируемого контроллера S7-300 оснащено набором встроенных интеллектуальных функций, существенно упрощающих эксплуатацию системы управления:

• Мониторинг сбора сигналов (диагностика);

• Мониторинг сигналов аппаратных прерываний;

• Диагностика: используется для определения работоспособности модулей ввода дискретных и аналоговых сигналов.

Контроллеры S7-300 обладают широкими коммуникационными возможностями:

• Коммуникационные процессоры для подключения к сетям Profibus с встроенным оптическим или электрическим интерфейсом, Ethernet и AS-интерфейсу;

• Коммуникационные процессоры Ptp для использования последовательных (RS 232/422/485, TTY) каналов связи;

• MPI интерфейс, встроенный в каждый центральный процессор и позволяющий создавать простые и недорогие сетевые решения для связи с программаторами, персональными ЭВМ, устройствами человеко-машинного интерфейса и другими системами Simatic S7/C7/Step7. Параметры конфигурации MPI интерфейса могут быть определены встроенными средствами;

• Центральные процессоры с встроенным интерфейсом Profibus-DP или Ptp.

Система распределенного ввода/вывода контроллера S7-300 на основе сети Profibus-DP показана на рис. 5.15.

Рис. 5.15. Система распределенного ввода/вывода S7-300 на основе Profibus-DP

Подключение контроллеров S7-300 к сети Profibus-DP может производиться с помощью коммуникационного процессора или через встроенный интерфейс центрального процессора.

Центральные процессоры с встроенным интерфейсом Profibus-DP позволяют создавать распределенные системы автоматического управления со скоростным обменом данными между ее компонентами через сеть Profibus-DP. В такой системе центральный процессор способен выполнять функции ведущего или ведомого DP-устройства.

Функции ведущих сетевых устройств могут выполнять:

• Контроллеры S7-300, подключенные к сети через интерфейс центрального процессора или через коммуникационный процессор;

• Контроллеры S7-400, подключенные к сети через интерфейс центрального процессора, коммуникационный процессор или интерфейсный модуль;

• Системы автоматизации С7, подключенные к сети через встроенный интерфейс центрального процессора или через коммуникационный процессор;

• Системы компьютерного управления Simatic WinAC, подключенные к сети через встроенный интерфейс слот-контроллера или через коммуникационный процессор компьютера;

• Контроллеры S5-115U/H-135U-155 U/H, подключенные к сети через интерфейсный модуль IM 308 или коммуникационный процессор CP5431;

• Контроллеры S5-95U с встроенным интерфейсом Profibus-DP;

• Контроллеры Simatic 505.

В одной сети рекомендуется использовать не более двух ведущих устройств. В качестве ведомых устройств могут быть использованы:

• Станции распределенного ввода/вывода ET200;

• Контроллеры S7-300 и системы автоматизации C7, подключенные к сети через коммуникационный процессор CP342-5;

• Центральные процессоры S7-400 с операционной системой от V3.0;

• Центральные процессоры CPU-313/314/15/16/18;

• Системы автоматизации Simatic C7-633/634/635/626;

• Приборы полевого уровня;

• Системы визуального контроля и анализа изображений Simatic VS710;

• Преобразователи частоты MICROMACTER и SIMOWERT MASTERDRIVES;

• Защитная и коммутационная аппаратура с встроенным интерфейсом ведомого DP-устройства и т.д.

Программаторы и компьютеры с установленным пакетом STEP7, а также панели оператора в сети Profibus используют для обмена данными PG/OP функции связи.

В AS интерфейсе программируемый контроллер S7-300 выполняет только функции ведущего устройства. Подключение к сети производится через коммуникационный процессор CP-343-2, выполняющий все функции ведущего устройства AS интерфейса профиля М1е в соответствии со спецификацией версии 2.1 и позволяющий производить подключение до 62 ведомых устройств AS интерфейса (кнопочные посты, датчики, контакторы, модули ввода/вывода, модули LOGO).

Для организации связи через MPI интерфейс, а также через сети Profibus и Ethernet, контроллеры S7-300 допускают использование различных способов передачи информации:

• Циклический обмен между сетевыми контроллерами с использованием глобальных данных;

• Сетевой обмен данными по прерываниям с использованием коммуникационных функций.

Механизм передачи глобальных данных позволяет организовать циклический обмен данными между сетевыми контроллерами. В одном цикле может передаваться до 4 пакетов глобальных данных по 22 байта. Режим может быть использован для обеспечения доступа одного контроллера к памяти данных другого контроллера. Обмен глобальными данными может осуществляться только через MPI интерфейс. Задание параметров связи производится с помощью таблицы глобальных данных STEP-7.

Сетевой обмен данными между контроллерами S7/C7, обслуживаемый коммуникационными функциями, базируется на использовании встроенных в операционную систему этих контроллеров коммуникационных блоков. Коммуникационные блоки обеспечивают:

• Стандартную связь через MPI интерфейс;

• Расширенную связь через MPI интерфейс, К-шину, Profibus и Ethernet.

Связь с контроллерами семейства S5 и контроллерами других фирм-изготовителей может осуществляться с помощью загружаемых функциональных блоков. Эти блоки позволяют обслуживать:

• S5 – совместимую связь через Profibus и Ethernet;

• Стандартную связь с системами других фирм-изготовителей через Profibus и Ethernet.

Связь через PtP интерфейс осуществляется через встроенные интерфейсы CPU, а также с помощью коммуникационных процессоров CP340/341. Для организации связи могут использоваться различные протоколы передачи данных и различные последовательные интерфейсы (TTY-токовая петля, RS422/485).

PtP интерфейс позволяет подключать: контроллеры S7, S5, а также контроллеры других фирм-изготовителей; принтеры; системы управления роботами; модемы; сканеры; считывали штрих кодов и другие устройства.

MPI интерфейс встроен во все центральные процессоры семейства SEMATIC S7-300. Интерфейс может быть использован для создания простых сетевых решений:

• MPI интерфейс позволяет поддерживать одновременную связь с несколькими программаторами, компьютерами с установленным STEP7, устройствами человеко-машинного интерфейса, контроллерами S7-300, S7-400 и С7;

• Глобальные данные. Сетевые контроллеры могут осуществлять циклический обмен данными. За один цикл может передаваться до 16 пакетов глобальных данных по 64 байта каждый. Центральные процессоры S7-300 способны поддерживать связь не более чем с 16 партнерами, передавая за один цикл до 4 пакетов глобальных данных по 22 байта каждый (только для STEP7 V4.X и более поздних версий). Глобальные данные могут передаваться только по MPI интерфейсу;

• Внутренняя коммуникационная шина (К-шина). MPI интерфейс центрального процессора соединен с К-шиной контроллера S7-300. За счет этого через MPI интерфейс может быть осуществлено непосредственное обращение программатора к функциональным модулям и коммуникационным процессорам;

• Гибкие возможности расширения, обеспечиваемые использованием сетевых кабелей, сетевых соединителей и повторителей RS485;

• Мощная коммуникационная технология:

- возможность объединения до 32 MPI станций;

- до 8 динамических соединений на процессор для обмена данными с контроллерами S7-300/-400/C7;

- до 4 статических соединений на процессор для обмена данными с программаторами, компьютерами, устройствами человеко-машинного интерфейса HMI, с контроллерами S7-300/-400/C7;

- скорость передачи данных 187,5 Кбит/с или 12 Mбит/с;

- максимальное расстояние между двумя соседними MPI станциями или узлами до 50 м (без повторителей), до 1100 м (с двумя повторителями), до 9100 м (с 10 последовательно включенными повторителями);

• Гибкие возможности расширения, обеспечиваемые использованием сетевых кабелей, сетевых соединителей и повторителей.

На рис. 5.16 показана схема обмена данными контроллера S7-300 через MPI интерфейс.

Через коммуникационные процессоры программируемый контроллер S7-300 может подключаться к промышленным сетям Profibus и Industrial Ethernet и поддерживать связь с контроллерами S7-300/-400, системами автоматизации С7, системами компьютерного управления SIMATIC WinAC, с программаторами, промышленными и персональными компьютерами, с устройствами человеко-машинного интерфейса HMI, с системами ЧПУ, приводами, системами управления роботами.

Рис. 5.16. Обмен данными через MPI интерфейс

Для программирования и конфигурирования систем автоматизации, построенных на основе контроллеров S7-300, может использоваться весь спектр промышленного программного обеспечения SIMATIC:

• Стандартные инструментальные средства: STEP7 Professional, STEP7 или STEP7 Lite. Программное обеспечение, используемое для программирования, конфигурирования, отладки и диагностики систем автоматизации SIMATIC S7/C7/WinAC;

• Инструментальные средства проектирования: опциональное программное обеспечение, включающее в свой состав языки программирования высокого уровня, а также графические языки программирования и проектирования систем автоматизации SIMATIC. Применение этого программного обеспечения существенно упрощает проектирование систем автоматизации, снижает сроки его выполнения;

• Программное обеспечение Runtime: готовое к применению программное обеспечение, требующее для своего запуска только предварительной настройки.

Контроллер S7-400 является самым мощным в семействе Simatic S7. Предназначен для решения сложных задач управления, имеет 7 моделей центрального процессора. Наиболее мощный из них CPU-416/417, имеющий встроенный интерфейс Profibus DP, позволяет осуществить ввод/вывод 131672 дискретных и 8192 аналоговых сигналов.