Izrada programskih komponenti u TIA Portal

programskom okruženju

Danijel Maršić, Goran Malčić i Ivica Vlašić

Tehničko veleučilište u Zagrebu/Elektrotehnički odjel, Zagreb, Hrvatska

danijel.marsic@tvz.hr

Sažetak - Kod izrade programske podrške u sustavima

upravljanja koji su realizirani uporabom PLC uređaja kao

upravljačkog dijela i SCADA računala, odnosno HMI

panela kao nadzornog dijela, uobičajena je praksa kreiranje

gotovih programskih modula koji odgovaraju određenoj

vrsti procesne opreme kako nalaže S88 norma. Izrada

programske podrške upravljačkog i nadzornog dijela za

PLC uređaje tvrtke Siemens unutar programskog paketa

TIA Portal V12 dio je obavezne nastave na specijalističkom

studiju elektrotehnike Tehničkog veleučilišta u Zagrebu. U

okviru laboratorijskih vježbi studenti izrađuju programske

dijelove upravljačkih komponenti i povezuju ih sa

nadzornom HMI aplikacijom za koju također izrađuju

vizualno sučelje. Ovakav pristup izvođenju laboratorijskih

vježbi rezultira ishodima učenja koji su direktno

primjenjivi u praksi.

I. UVOD

Sustavi automatizacije u proizvodnim procesima mogu biti jednostavni (mogu upravljati samo jednim strojem u proizvodnoj liniji) do vrlo složenih (koji upravljaju procesom proizvodnje u cijeloj tvornici). U tu svrhu razvijaju se univerzalna i specijalistička rješenja sustava automatizacije proizvodnih procesa. Cijena univerzalnih rješenja velikih tvrtki u području automatizacije često je prevelika za investitora jer specijalistička rješenja mogu koristiti samo za određeni proizvodni proces. Zbog toga se javlja potreba za razvojem vlastitog univerzalnog sustava automatizacije koji je moguće koristiti u jako širokom spektru proizvodnih procesa. Tvrtke koje izrađuju programsku podršku za sustave automatizacije, ukoliko žele biti prisutne na svjetskom tržištu, moraju to raditi prema naputcima koji su navedeni u S88 norme za šaržne procese. U šaržnim procesima izlazni učinak procesa se javlja u količinama materijala. Šaržni proces ima početak i kraj te se obično neprestano ponavlja. Šaržni procesi posjeduju neke karakteristike diskretnih i kontinuiranih procesa no zasebna su vrsta industrijskih procesa. Primjere šaržnih procesa najčešće nalazimo u industrijama pića, prehrambenoj, cementnoj, farmaceutskoj industriji i slično.

Kontrolni modul (CM) je najmanji dio sustava upravljanja koji izvršava neku osnovnu funkciju koji se prema primijenjenom S88 standardu naziva komponenta. Kontrolni modul (eng. Control Module, CM) je najosnovniji element fizičkog modela kojeg S88 standard ga definira kao: "Kontrolni modul je u pravilu jedan ili grupa senzora, aktuatora, ostalih kontrolnih modula, i povezane procesne opreme, koji sa stajališta upravljanja

djeluje kao zaseban uređaj".1

Dakle, svaki kontrolni modul osigurava izravnu "poveznicu" sa procesom preko aktuatora i senzora te tako izvršava neke osnovne upravljačke funkcije. Komponente programske podrške standardizirane su prema najčešćim tipovima uređaja korištenih u industrijskim postrojenjima. Komponente mogu biti mjerni uređaji, osjetnici, aktuatori, ali i programske komponente kao što je PID regulator koji se izvodi u programirljivom logičkom kontroleru (PLC). Koristeći ove standardne komponente moguće je lako sve kontrolne module upravljačkog sustava uklopiti u upravljački program PLC uređaja koji je povezan sa SCADA sustavom.

U sklopu laboratorijskih vježbi na kolegiju Sustavi upravljanja i nadzora postrojenja obrađuju se tematike vezane za izradu kontrolnih modula kroz više vježbi.

II. ALAT TIA PORTAL

Prvi dio kroz koji studenti svakako moraju proći je upoznavanje i rad sa razvojnom okolinom odnosno programskim editorom. Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal) objedinjuje SIMATIC Totally Integrated Automation (TIA) proizvode u jedinstvenu programsku aplikaciju. Svi TIA proizvodi rade zajedno unutar istog programskog okruženja i pružaju podršku korisniku u svim segmentima potrebnim za stvaranje rješenja automatizacije. TIA Portal se koristi za konfiguraciju i programiranje PLC uređaja, ali i za vizualizaciju procesa u jedinstvenoj razvojnoj okolini. Svi podaci se spremaju u zajedničku projektnu datoteku, koristi se zajedničko korisničko sučelje za sve zadaće preko kojeg je moguće pristupiti svim programskim i vizualizacijskim funkcijama u svakom trenutku.

Prvi korak na vježbama je postupak sklopovske konfiguracije jer bez poznavanja tipa procesora nije moguće pisati programski kod. Ovim postupkom potrebno je unutar programske podrške definirati raspored i vrstu modula PLC uređaja koji odgovaraju konfiguraciji stvarnog uređaja. Kod dodavanja sklopovlja, odnosno modula treba biti obraćena pažnja da se odabere ispravan modul i njegova verzija. Zato je potrebno obavezno pročitati kataloški broj modula na njegovoj prednjoj strani i na temelju toga odabrati taj modul iz kataloga opreme u programskoj podršci. U protivnom će PLC nakon učitavanja hardverske konfiguracije javljati grešku.

1 ISA Philadelphia Section: ANSI/ISA S88 Batch standard – A General

Overview, 2002., www.isa.org

1146 MIPRO 2014/CE

Slika 1. Prozor za izradu sklopovske konfiguracije

U TIA portalu spomenuti kontrolni moduli mogu biti izvedeni kao funkcije ili funkcijski blokovi koji se programiraju i pozivaju u glavnom programu OB1. Nedostatak korištenja funkcijskih blokova u odnosu na funkcije je to što se za svaki poziv funkcijskog bloka treba kreirati i pripadajući podatkovni blok, čak i ako se više puta poziva jedan te isti blok. Kod korištenja funkcija dovoljno je kreirati jedan globalni podatkovni blok u koji se spremaju podaci svih funkcija. Budući da funkcija sama po sebi ne može imati pridruženi vlastiti podatkovni blok, unutar nje se treba nalaziti neki podatkovni tip koji sadrži sve varijable koje se koriste u procesu. Pomoću tog podatkovnog tipa sve te varijable u globalnom podatkovnom bloku mogu dobiti svoju adresu u memoriji. Na taj način omogućeno je da se funkcija koristi za više istovrsnih procesa, jer će za svaki proces varijable biti na drugoj adresi.

U vježbama je dano i opisano kreiranje funkcija, njihovo programiranje, pozivanje u glavni program te rad s podacima. Radi lakšeg razumijevanja osim općenitih opisa koristi se nekoliko tipičnih primjera iz industrije.

III. IZRADA UPRAVLJAČKE LOGIKE

Funkcije omogućuju izradu univerzalnih blokova koji se pozivaju u OB1 i tamo im se pridjeljuju fizičke adrese. Sva logika je sadržana u bloku koji kada pozovemo u glavnom programu ima vidljive izvode za fizičke ulaze i izlaze. Kao što je već spomenuto, nemaju vlastitu memoriju, nego se podaci spremaju preko PLC podatkovnog tipa koji sadrži varijable cijelog procesa. Ulazne varijable se upisuju pod Input, izlazne pod Output, ulazno - izlazne pod InOut, dok se privremene upisuju pod Temporary (Slika 2.). U donjem dijelu programa piše se program u jeziku ljestvičasti dijagram.

Slika 2. Primjer procesnih varijabli

Odnose između tipova varijabli deklariranih u zaglavlju najbolje prikazuje Slika 3. Sadržaj varijabli deklariranih kao Input treba se kopirati u odgovarajuće varijable u InOut. Isto tako sadržaj odgovarajućih varijabli iz InOut treba se kopirati u varijable u Output funkcije.

Ulazne varijable funkcije:

PLC podatkovni tip

opisuje cijeli proces

Ulazne

varijable

funkcije

Izlazne

varijable

funkcije

Fizički ulazi iz

procesa ili naredbe

iz SCADA sustava

Izlazne naredbe

PLC uređaja

Funkcija

Slika 3. Blokovska shema toka podataka u funkciji

Slika 4. prikazuje logiku rada funkcije ''Block_1'' koja je isprogramirana u ljestvičastom dijagramu. Kod pisanja programskog koda u funkcijama ne koriste se fizičke adrese nego adrese u memoriji. Fizičke adrese dodjeljuju se bloku nakon poziva u OB1. U prikazanom primjeru bloku će se moći dodijeliti dvije fizičke adrese, na ''Ulaz'' i ''Izlaz'' te jedna adresa iz podatkovnog bloka na ''Proces'' koja će biti adresa varijable čiji će tip biti ''Proces_1''. Može se reći da se obrada podataka u bloku (funkciji) vrši pomoću varijabli deklariranih kao InOut. Varijable koje su deklarirane kao Input i Output služe za ulaz podataka u blok, odnosno za izlaz iz bloka i nemaju definiranu adresu u memoriji.

Slika 4. Logika rada funkcije ''Block_1''

Varijable koje se nalaze u funkciji moraju imate definirane adrese u memoriji kako bi se podaci imali gdje spremati. To omogućuju globalni podatkovni blokovi. Slika 5. prikazuje izgled globalnog podatkovnog bloka gdje je vidljivo da su adresirane memorijske lokacije za dva procesa. Adresiranje se vrši tako da svaka varijabla koja je tipa ''Proces_1'', dobije početnu (referentnu) adresu, a varijable koje pripadaju toj varijabli dobiju neku vrijednost za koju su udaljene od referentne adrese. Procesi iz primjera međusobno su jednaki ali se mogu odvijati neovisno jedan o drugome. To znači da se blok sa logikom procesa mora pozvati u OB1 dva puta, za svaki proces posebno.

MIPRO 2014/CE 1147

Slika 5. Globalni podatkovni blok

Slika 6. prikazuje izgled blokova kad se pozovu u OB1. U ovom slučaju pozvana je funkcija ''Block_1'' (otprije kreirana). Varijablama ''Ulaz'' i ''Izlaz'' pridružene su fizičke adrese, a pošto te varijable same po sebi nemaju definiranu adresu u memoriji, neće moći spremati podatke. No, kao što je vidljivo sa slike 4. to nije ni potrebno zbog toga jer je u logici bloka određeno da se ulazni i izlazni podaci pridružuju odgovarajućim varijablama koje su iz podatkovnog tipa ''Proces_1'', a te varijable imaju definiranu adresu u memoriji (Slika 5.)

Slika 6. Poziv funkcije Block_1 i pridruživanje adresa

Kako bi se funkcija izvršila mora biti pozvana iz OB1, u protivnome se ona neće nikad izvršiti. Nakon što je funkcija pozvana njenim ulazima su pridružene fizičke adrese iz procesa ili SCADA aplikacije. Podaci se sa ulaza šalju u odgovarajuće ulazno - izlazne varijable čije memorijske adrese su definirane u globalnom podatkovnom bloku. Unutar funkcije se tada odrađuje programirana logika (sve sa varijablama čije su memorijske adrese definirane u globalnom podatkovnom bloku) i rezultati (izlazni podaci) se šalju na izlaze funkcije kojima su pridružene fizičke adrese.

Na ovakav način se izvode tri vježbe za zasebne kontrolne module:

- direktno pokretanje motora,

- digitalni ulaz za diskretne senzore,

- analogni ulaz za analogne senzore.

Prolazeći kroz ove tri vježbe studenti nauče osnove rada u programskom okruženju TIA Portal V12. Najdetaljnije je objašnjena uporaba PLC podatkovnih tipova, funkcija i podatkovnih blokova. Vježbe se temelje

na izradi modula koji su univerzalni za određeni tip procesa. Takvi moduli mogu se koristiti za programiranje bilo kakvog sustava ako on sadrži takve procese. To je dobra stvar za programere jer mogu puno brže napraviti programsko rješenje za zadani sustav, a izrađeni su moduli su izravno primjenjivi u praksi. Modul za direktno pokretanje i nadzor motora može se koristiti za upravljanje nekim vratima ili u nekom sličnom procesu gdje ne treba regulirati brzinu vrtnje. Modul za digitalni ulaz može se koristiti za provjeravanje stanja neke sklopke. Modul za analogni izlaz može se upotrijebiti za čitanje naponskog signala pretvarača neke fizikalne veličine i pretvaranje tog signala u stvarnu vrijednost mjerene veličine (npr. mjerenje temperature). S obzirom da je logika rada detaljno objašnjena u pisanim materijalima koji se dobiju na vježbama, student je može jednostavno razumjeti.

IV. IZRADA NADZORNE APLIKACIJE

SCADA (eng. Supervisory Control And Data Acquisition) je tehnologija koja omogućuje prikupljanje odnosno praćenje svih signala i veličina iz jednog ili više udaljenih postrojenja u kojemu se odvijaju neki procesi, te omogućuje slanje upravljačkih signala u postrojenja čime se dobiva stalni nadzor i upravljanje nad procesom.

Programska podrška TIA Portal koristi za kreiranje slika vizualizacije procesa na ekranu HMI (eng. Human Machine Interface) uređaja koji služi za upravljanje i nadgledanje strojeva i postrojenja. Prethodno definirani objekti i elementi dostupni unutar programa olakšavaju stvaranje tih ekrana. Grafički objekti i elementi su svi oni elementi koji mogu biti korišteni za vizualizaciju projekta u HMI sustavu. To uključuje tekst, tipke, dijagrame ili grafike za vizualizaciju dijelova procesa (senzori, aktuatori, uređaji). Grafički objekti mogu biti statično vizualizirani ili korišteni kao dinamički objekti uz pomoć oznaka.

U vježbama je objašnjeno uređivanje svojstava grafičkih objekata i elemenata korištenih prilikom vizualizacije procesa. Prvi korak vježbi je umetanje HMI uređaja i otvaranje njegove konfiguracije. Unutar projektnog stabla potrebno je odabrati naredbu 'Add new device' i odrediti za koji tip odnosno veličinu ekrana će se raditi nadzorna aplikacija.

Osnovni grafički objekti nalaze se u kartici 'Toolbox' pod nazivom 'Basic objects'. Pod osnovne objekte spadaju prethodno definirani objekti prikazani na slici 7.

Slika 7. Osnovni grafički objekti

1148 MIPRO 2014/CE

Osnovni grafički objekti su jednostavni objekti koji mogu poslužiti za izradu odnosno dizajniranje jednostavnih rješenja vizualizacije procesa, ali se od njih također mogu stvoriti kompleksni objekti potrebni za vizualizaciju složenih procesa. Svojstva osnovnih objekata su prikazana po kategorijama i mogu se pronaći u prozoru namijenjenom za prikaz dodatnih informacija o odabranom objektu. Osim uređivanja svojstava osnovnih objekata moguće im je postaviti animacije što isto vrijedi i za naprednije grafičke objekte elemente.

Također se može raditi i sa predefiniranim elementima koji se nalaze se u kartici 'Toolbox' pod nazivom 'Elements'. Pod osnovne objekte spadaju prethodno definirani objekti prikazani na Slici 8. Svojstva elemenata prikazana su po kategorijama i mogu se pronaći u prozoru namijenjenom za prikaz dodatnih informacija o odabranom objektu.

Slika 8. Predefinirani elementi

U prvoj vježbi je prikazan postupak izrade jednostavne aplikacije za upravljanje motorom sa svim elementima koji se koriste prilikom vizualizacije procesa. U projektnom stablu, unutar mape 'Screens' potrebno je odabrati opciju 'Screen' kako bi se prikazao ekran na kojem će se dizajnirati SCADA aplikacija. Nakon što je kreiran prozor aplikacije, unutar njega se razmještaju ostali objekti i elementi koji su potrebni za funkcionalnost aplikacije.

Sljedeći korak, nakon dizajna aplikacije, je kreiranje tablice oznaka HMI uređaja (eng. HMI Tag Table). Tablica oznaka kreira se kako bi varijable definirane unutar tablice povezali sa objektima i elementima unutar SCADA aplikacije kako bi oni dobili funkcionalnost. Svaku od oznaka HMI uređaja potrebno je povezati sa stvarnim oznakama PLC uređaja kako bi mogli upravljati procesom putem SCADA aplikacije na HMI uređaju. Tablica oznaka kreira se unutar mape 'HMI tags' u projektnom stablu.

Objekte i elemente unutar SCADA aplikacije potrebno je povezati sa HMI oznakama kako bi aplikacija bila funkcionalna. Ukoliko bilo koji od objekata nema pridjeljenu pripadajuću HMI oznaku, objekt neće imati nikakvu funkciju animacije unutar aplikacije osim dekorativne.

Radi lakšeg snalaženja prilikom uređivanja aplikacije objektima i elementima je potrebno dodati naziv. Svi korišteni elementi će se kasnije grupirati unutar jedne skupine i ukoliko im nisu promijenjeni nazivi vrlo je teško raspoznati koji element čemu služi (npr. korištene su dvije

tipke čiji su nazivi 'Button_1' i 'Button_2'). Kada na ekranu postoji više aplikacija potrebno je korištene objekte i elemente unutar svake aplikacije grupirati u skupine. To se radi prvenstveno iz razloga lakšeg razmještanja prozora aplikacija, ali i radi dodavanja efekata pojedinim prozorima.

Završna faza prve vježbe je simulacija SCADA aplikacije na osobnom računalu koju studenti pokreću pomoću tipke 'Start simulation' na alatnoj traci programske podrške TIA Portal. Na slici 9. prikazan je primjer izrađene aplikacije koja sadrži dva pravokutnika, dvije tipke, krug, potvrdni okvir, tekstualno polje i U/I polje upravljanju radom direktno pokretanog elektromotora. Moguće je pokrenuti i zaustaviti motor, zadati vremensku odgodu uključenja alarma nakon pojave greške te pratiti stanje rada motora.

Slika 9. Primjer aplikacije za upravljanje motorom

Druga i treća vježba su temeljene na istom pristupu izrade jednostavne nadzorne aplikacije za komponente digitalnog ulaza i analognog ulaza za koje su studenti prethodno izradili upravljački program na PLC uređaju. Nakon izrade svih komponenti pristupa se zadnjoj vježbi koja integrira sva prethodno stečena znanja na vježbama.

Vježba integracije svih komponenti je izrada sustava koji se sastoji od pumpe, tlačnog prekidača (eng. Pressure switch), mjerača protoka (eng. Flow transmitter) i dva spremnika. Spremnici su grafički objekti koji nemaju funkciju. Slika 10. prikazuje takav sustav u radu. Zelena boja indicira da sve komponente sustava rade ispravno. Pritiskom lijeve tipke miša na bilo koju od komponenata sustava (osim spremnika) otvara se dodatni prozor sa osnovnim dijelom aplikacije. Ponovnim pritiskom lijeve tipke miša na bilo koju od komponenata sustava zatvara se dodatni prozor komponente. Kako bi prikazali kartice 'Status' pojedinih komponenata potrebno je lijevom tipkom miša pritisnuti na tipku 'Status' koja se nalazi u donjem desnom uglu osnovnog dijela aplikacije.

Slika 10. Zaslon vizualiziranog procesa

MIPRO 2014/CE 1149

Studenti u završnom dijelu vježbe testiraju rad kako kompletne SCADA aplikacije tako i zasebnih prozora aplikacije. Zbog toga su na sljedećim slikama su prikazani i ukratko objašnjeni prozori aplikacije za svaku pojedinu komponentu sustava.

Slika 11. prikazuje prozor aplikacije za nadzor i upravljanje radom motora pumpe koji je sastavljen od sljedećih osnovnih dijelova sa pripadajućim funkcijama:

1) Indikator stanja pumpe. 2) Prostor sa tipkama za automatsko pokretanje

motora, ručno pokretanje motora, simulaciju pokretanja motora i reset greške odnosno alarma.

3) Prostor unutar kojeg se aktivira način rada 'Simulacija' ili 'Održavanje'.

4) Tipka 'Status' kojom se prikazuje kartica 'Status'. 5) Prostor sa indikatorima stanja. 6) Prostor sa U/I poljem za zadavanje odgode alarma

potvrde uklopa sklopnika.

Slika 11. Prozor aplikacije za nadzor i upravljanje motorom pumpe

Slika 12. prikazuje prozor aplikacije za upravljanje tlačnim prekidačem koji je sastavljen sljedećih funkcija koje su na raspolaganju operateru sustava:

1) Indikator stanja tlačnog prekidača 2) Prostor sa tipkama za simuliranje aktivacije i

deaktivacije tlačnog prekidača i reset alarma. 3) Prostor unutar kojeg se aktivira režim rada

'Simulacija' i dopuštaju alarmi. 4) Tipka 'Status' kojom se prikazuje kartica 'Status'. 5) Prostor sa indikatorima stanja (bijela boja – stanje

nije aktivno, zelena boja – stanje aktivno). 6) Prostor za zadavanje odgode

Slika 12. Prozor aplikacije za upravljanje tlačnim prekidačem

Slika 13. prikazuje prozor aplikacije za upravljanje mjeračem protoka sastavljen od sljedećih funkcija:

1) Indikator stanja mjerača protoka. 2) Prostor za prikaz mjerene veličine. 3) Prostor unutar kojeg se aktivira režim rada

'Simulacija' i omogućavaju alarmi.

4) Klizač za ručno zadavanje vrijednosti mjerene veličine u režimu rada 'Simulacija'.

5) Tipka za reset greške odnosno alarma. 6) Tipka 'Status' kojom se prikazuje kartica 'Status'. 7) Prostor sa indikatorima stanja 8) Prostor za zadavanje odgode uključenja alarma. 9) Odabir se prikaza kartice 'Parametri'. 10) Prostor unutar kojeg se dopuštaju željeni alarmi. 11) Prostor za zadavanje granica uključuja alarma.

Slika 13. Prozor aplikacije za upravljanje mjeračem protoka

V. ZAKLJUČAK

Izrada upravljačke logike pojedinih komponenti procesa, vizualizacija procesa te mogućnost reakcije na proces u stvarnom vremenu postala je nezaobilazna potreba u industriji od početaka pa sve do danas. U tu svrhu najčešće se koristi PLC računalo i HMI sustav preko kojega čovjek nadzire i upravlja strojem. Radi boljeg razumijevanja procesa te lakšeg nadziranja i upravljanja procesom, izrada vizualizacije na HMI uređajima od velike je važnosti.

U ovom radu je prikazano kako studenti savladavaju problematiku izrade upravljačkog programa izradom pojedinih programskih komponenti te za iste njihovo vizualno sučelje. Korištene komponente su neizbježne u samoj praksi te znanja stečena na vježbama su sigurno primjenjiva u budućem radu. Završni dio svega je vježba koja integrira i upravljački i nadzorni dio u jednu cjelinu.

Student kroz ove vježbe lagano i postepeno gradi svoj prvi sustav automatizacije procesa, kroz čiju izgradnju dobije uvid u svu problematiku i rad sa sustavom. Vježbe traju pola semestra, no zadovoljstvo studenata se očituje kroz provedene ankete koje su više nego pozitivne. Naravo, dio njih smatra da je tematika preteška za studij, ali naše je nastojanje da budemo u korak sa potrebama tržišta rada.

LITERATURA

[1] Mario Belošević: Izrada upravljačkog programa za module opreme unutar programske podrške TIA Portal v12, završni rad Elektrotehnički odjel Tehničkog veleučilišta u Zagrebu, 10.07. 2013

[2] Dario Krklec: Izrada HMI sučelja za module opreme unutar programske podrške TIA Portal v12, završni rad, Elektrotehnički odjel Tehničkog veleučilišta u Zagrebu, 10.07. 2013

[3] Siemens; SIMATIC – STEP 7 Professional v12; Priručnik, izdanje 01/2013

[4] Siemens; SIMATIC HMI – WinCC v12 Runtime Professional, Priručnik, izdanje 05/2013

[5] Goran Malčić, Danijel Maršić: Programirljivi logički kontroleri, skripta za kolegij Procesna računala, Tehničko veleučilište u Zagrebu, Elektrotehnički odjel, Zagreb, 2009

1150 MIPRO 2014/CE