6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), 16-18 May 2011, Elazığ, Turkey Endüstriyel Otomasyonda Siemens Simatic S7-300 PLC nin Kullanımı R. Bayındır 1, S. Vadi 2 1 University of Gazi, Ankara/Turkey, bayindir@gmail.com 2 University of Gazi, Ankara/Turkey, vadi.seyfettin@gazi.edu.tr The Use of Siemens Simatic S7-300 PLC in Industrial Automation Abstract Most of the automation systems needs more reliable, faster and comprehensive solutions in these days as a result of rapidly evolving technology. There are several companies with their several products in the market to serve efficient solutions for such requirements. The most used Programmable Logic Controller (PLC) devices are manufactured by Siemens Company to develop a better control for several types of medium-scaled automation systems. This paper is mainly focused on the usage, programming techniques and key features of the S7-300 type of PLC which is a prominent product of Siemens family and used in automation systems in general. Furthermore, since there is not enough document in Turkish about the PLCs and lack of technical information, some special topics are also described in detail such as establishing a connection between hardware and software units and usage of the CPU 315-2 DP, SM321 DI and SM322 DO modules as well. Keywords PLC, S7-300, Step 7 Simatic Manager I. GĠRĠġ Üretim alanlarını (otomasyon, makine, tarım, v.b.) otomasyonsuz, PLC siz düģünmek mümkün değildir. 70 li yıllardan itibaren endüstride PLC kullanımı hızlı bir Ģekilde yaygınlaģmıģtır. Programlanabilir Lojik Kontrolörler (PLC) ve mikrodenetleyicilerdir. PLC ler endüstriyel otomasyon sistemlerinde doğrudan kullanıma uygun özel giriģ ve çıkıģ birimleri ile donatılmıģlardır. PLC ler genellikle endüstriyel otomasyon, sera kontrol, trafik kontrol sistemlerinde olmak üzere birçok yerde kullanılırlar [1-2]. Genel olarak, PLC'ler röleli kontrol sistemlerinden doğmuģtur ve her ne kadar röle, zaman röleleri, sayıcılar ve buna benzer diğer cihazların yerini Ģimdi PLC içindeki mantık ve entegre devreler aldıysa da aslında PLC bu cihazlar hala varmıģ gibi çalıģır. Fakat PLC kontrolü, bir bilgisayarın yapabileceği hesaplamaları yaparak rölelerin yapabileceğinden çok daha hassas, güvenilir ve esnek bir kontrol sağlar. PLC'lerin çalıģmasını açıklayan semboller ve diğer kontrol kavramları da röleli kontrol sistemlerinden gelmiģtir ve ladder (merdiven) diyagram programlama yönteminin temelini oluģtururlar. Fakat bu sembolleri ve kavramları açıklayan çoğu terimler bilgisayar dilinden gelmiģtir [3-6]. Programlanabilir Lojik Kontrol ler(plc) içerisinde bir program olan ve giriģ / çıkıģ (I /O ) cihazlarına bağlı bir CPU dan ( Merkezi ĠĢlem Birimi ) oluģan sayısal kontrolör veya endüstriyel bilgisayarlardır. PLC nin çalıģması, giriģ/çıkıģ tarama modu ve program iģleme modu olmak üzere iki modda gerçekleģir. GiriĢ/çıkıĢ tarama modunda, CPU, bütün giriģ ve çıkıģları tazeler. Program iģleme modunda ise, CPU, hazırlanan programı ilk satırdan son satıra kadar değerlendirir. Program değerlendirme süresi, programın uzunluğuna ve CPU çeģidine göre değiģir [7]. Yapılan literatür taramasında PLC kullanılarak yapılan çalıģmalarda genellikle Siemens S7-200 PLC kullanılmaktadır. Ancak günümüzde yapılan çalıģmalarda hız, güvenilirlik, iģlem hacmi, maliyet, kapasite gibi kavramların ağır bastığı orta büyüklükteki çalıģmalarda ise S7-300 ve S7-400 PLC ler kullanılmaktadır [8]. PLC nin yapısı aģağıdaki gibidir Besleme kaynağı CPU (Merkezi ĠĢlem Birimi) Bilgi ve program hafızası GiriĢ /ÇıkıĢ ünitesi Çevrebirimleri (Programlayıcı vs.) Siemens S7-300 PLC ler orta performanslı farklı otomasyon sistemlerin kontrolünde ve geliģtirilmesinde MPI, Profibus veya Endüstriyel Ethernet gibi haberleģme ağlarını kullanarak, SCL, Graph gibi üst düzey programlama teknikleriyle programlanabilme özelliğine sahiptir. II. NEDEN PLC? Güvenilirdir. Daha az yer tutar ve daha az arıza yaparlar. Yeni bir uygulamaya daha çabuk adapte olurlar. Çevre Ģartlarından kolay etkilenmezler. 206
R. Bayındır, S. Vadi Daha az kablo bağlantısı isterler. Hazır fonksiyonları kullanma imkanı vardır. GiriĢ ve çıkıģların durumları izlenebilir. Resim 1 de Siemens S7-300 PLC ye ait bir fotoğraf verilmiģtir. Bu fotoğraf üzerinde PLC modülünün bölümleri gösterilmiģtir. Tablo.1 de ise Siemens firmasına ait PLC serilerinin özelliklerinin kıyaslaması verilmiģtir. RUN-P: ÇalıĢma modu (Bilgisayar tarafından hem okuma hem de yazma anlamında eriģme mümkün) SF: Grup Hatası, CPU da ya da modüllerde bir hata var BATF: Pil hatası, pilin gerilim seviyesi düģük ya da pil yok DC5V:5 Volt DC sinyali FRCE: Bir ya da daha fazla giriģ ya da çıkıģ zorlanıyor RUN: CPU çalıģmaya baģlarken yanıp söner, çalıģma modunda ise sürekli yanar. STOP: Durma modunda sürekli yanar. Hafızayı sıfırlama iģlemi süresince yavaģ bir Ģekilde yanıp söner, iģlemin bitmesiyle beraber hızlı olarak yanıp söner [9,10]. Tablo 1: Farklı Siemens PLC lerinin Özellikleri 1 2 3 4 Resim 1. Siemens S7-300 PLC Görüntüsü 1 numaralı bölge, güç kaynağını temsil etmektedir. PLC ye bağlı olan modüllerin güç ihtiyacını karģılamak için kullanılmaktadır. (Maksimum 2A, 5A ve 10A modelleri mevcuttur.) 2 numaralı bölge, Merkezi ĠĢlem Birimidir(CPU). 3 ve 4 numaralı bölgeler ise, dijital giriģ-çıkıģ veya analog giriģ-çıkıģ modülleridir. Resim 2 de, S7-300 PLC nin ĠĢlemcisi(CPU) görülmektedir ve bu modül üzerindeki bölümler aģağıda verilmiģtir. Durum Ledleri Hafıza Kartı Giriş Yuvası Çalışma Seçim Modu Anahtarı MPI Bağlantı Noktası Resim 2. CPU Yapısı MRES: Hafıza Reset STOP: Durma Modu RUN: ÇalıĢma Modu (Bilgisayar tarafından sadece okuma anlamında ulaģım mümkün) SIEMENS Dijital giriģ, çıkıģ sayısı Analog giriģ, çıkıģ sayısı S7-200 (216) 128 bit S7-300 (312C) 1024 bit (10DI-6DO) 20 byte 128byte S7-400 (416) S7-300 (314 IFM) 128 Kbit 1024 bit 8192 byte 64 byte Sayıcı sayısı 256 128 512 64 Zaman elemanı sayısı Durum tespit iģareti sayısı (Yardımcı röle) ÇalıĢma Hafızası 256 128 512 128 256 2048 16384 2048 8 KByte 16 Kbyte 512 Kbyte 24 Kbyte ÇalıĢma hızı 0.8 ms 0.3msn 0.08 msn 0.3 msn Program iģleme Ģekli A. PLC Nasıl Çalışır? Yapısal Yapısal Yapısal Yapısal S7-300 PLC lerin giriģi 24 VDC veya 120/230 VAC dir. 24 V ile çalıģan S7-300 20.4V ile 28.8 V luk gerilimler arasında da çalıģabilmesine rağmen buna izin verilmemelidir. GiriĢe uygulanacak gerilim buton, sınır anahtarı, sıcaklık, seviye, basınç sensörleri gibi anahtarlama elemanları üzerinden alınır. GiriĢ bilgisi giriģ görüntü belleğine yazılır ve buradan merkezi iģlem ünitesine gönderilir. Merkezi iģlem ünitesindeki bellek iki kısımdan oluģur: ROM bellek: Cihazın kendine ait olan bilgilerin tutulduğu ve sadece okunabilen bellektir. RAM bellek: ĠĢletilmesi istenilen programı barındıran ve silinebilen bellektir. RAM bellek iki kısımdan oluģur. Programın yazıldığı yükleme alanı (Load Memory) ve programın çalıģtırıldığı çalıģma alanı (Work Memory). Yazımlanan program Micro Memory Card a yüklenir. GiriĢ görüntü belleğinden alınan bilgi iģletilecek programa bildirilir ve program yürütülür. Elde edilen veriler çıkıģ görüntü belleğine yazılır. Veriler çıkıģ sinyali olarak çıkıģ 207
Endüstriyel Otomasyonda Siemens Simatic S7-300 PLC nin Kullanımı katına aktarıldığı gibi tekrar giriģ görüntü belleğine giriģ bilgisi olarak gönderilir. ÇıkıĢ sinyalleri kontrol edilen sisteme ait kontaktör, röle, selenoid gibi çalıģma elemanlarını sürer. PLC transistör çıkıģlı ise DC 0.5A, triyak çıkıģlı ise AC 1 A ve Röle çıkıģlı ise AC/DC 2 A in geçmesine izin verir. S7-300 PLC lere 32 modül eklenebilir. Her raya 8 adet sinyal modülü eklenebilir. Maksimum 4 ray kullanılabilir. Her sinyal modülü 32 bitlik veri içerir. Toplam 1024 bitlik veri iģlenebilir. Rayların kendi aralarında haberleģmesini sağlamak için haberleģme birimine ihtiyaç vardır. Eğer sadece 0 nolu ray kullanılacaksa 3.slot boģ bırakılır. Orta büyüklükte projelerde kullanılan yeni nesil S7-300 PLC ler, S7-200 PLC lere göre farklılıklar göstermektedir. S7-300 PLC lerin program oluģtrulurken S7-200 lerdeki gibi kendi içerisinde otomatik olarak değil yazılımcının projeyi oluģtururken adım adım kendi tercihine göre seçmesi gerekir ve projede ihtiyaç duyulan giriģ çıkıģ sayılarına göre sinyal modülleri eklenmektedir.s7-300 PLC lerde her rack üzerine 4 tane modül toplamda 32 adet sinyal modülü eklenebilmektedir. S7-200 lerde ise iģlemcisine göre en fazla 7 adet ek modül takılabilmektedir [9,10]. Pek çok editör programda olduğu gibi programlamanın yapılması için kullanılacak programlama dili ile çalıģmanın yapılacağı organizasyon blokları Resim 5 teki gibi seçilir. Resim 6 da ise oluģturulmak istenen projeye bir isim yazılır ve Finish butonuna tıklayarak iģlem sonlandırılır. Açılan Hardware Penceresinden seçmiģ olduğumuz CPU, COUNTER, PID modülü vs listelenir. CPU seçilmemiģse ve donanım sıralaması hatalı yapılmıģsa Step 7 Lite yani editör programı uyarı verir. Resim 4: CPU Seçim Penceresi III. S7-300 PLC ĠLE PROJE OLUġTURMA S7-300 PLC serilerine program yazmak için Siemens firmasının Step7 Simatic Manager programı paket yazılımı kullanılır. Step-7 de proje oluģtururken izlenecek iģlem sırası; Simatic Manager programını açmak için Start / Simatic / Simatic Manager adresi takip edilir. Simatic Manager açıldığında ilk olarak Resim 3 deki pencere açılır. Yeni bir proje oluģturmak için Next > butonuna tıklanır. OluĢturulmuĢ bir projeyi açmak için Finish butonuna tıklanır. Resim 5: Programlama Dili ve Organizasyon Blokları Seçme Penceresi Resim 3: Yeni Proje OluĢturma Penceresi Bu aģamada artık çalıģmada kullanılacak olan CPU nun tanımlanması yapılır. Resim 6: Projeye Ġsim Verme ve ĠĢlem Sonlandırma Penceresi 208
R. Bayındır, S. Vadi Donanım tanımlanırken aynı ürün seçme katalogunda aynı üründen birden fazla tanımlı ise CPU nun portunu kapatan kapağın altında CPU versiyonu ve dıģ yüzeyinde ise sipariģ kodu bulunur. Donanım tanımlanırken bu değerlere dikkat edilmelidir. A. Programın Kullanımı Bir kumanda ya da kontrol sisteminin çözümüne iliģkin sözel ya da matematiksel kuralların PLC program belleğine aktarılması özel bir programlama dili ve derleyicisi aracılığıyla yapılır. Bu programlama dilleri LAD, STL, FBD dir. PLC programlama dilleri, komut ile programlama ve grafiksel programlama olarak iki ana baģlık altında toplanabilir. STL komut ile programlama tekniğine, FBD ve LAD ise grafiksel programlama tekniğine girmektedir. Bunlar aģağıdaki gibidir. Options Set PG-PC-Interface tıklanarak Resim 3 deki pencereden PC-PLC haberleģmesini sağlamaya yönelik geliģtirilen arayüzler listelenir. PC ile PLC arasındaki haberleģme protokolü olan MPI ın özelliklerini belirlemek üzere Resim 7 de görüldüğü gibi ilk olarak PC Adapter(MPI) seçilir ve arkasından Properties butonuna tıklanır. Resim 7: Options Set PG-PC-Interface Penceresi Ladder(Merdiven) Diyagramı Statement List(Komut Dizini) IV. PC ĠLE PLC HABERLEġMESĠNĠN SAĞLANMASI Bilgisayar ile PLC arasındaki haberleģmeyi sağlamak için farklı yollar mevcuttur. Bunlar; ISA Yuvası üzerinden ( Ör: MPI-ISA Card ) PCI Yuvası üzerinden ( Ör: CP5611 ) PCMCIA Yuvası üzerinden ( Ör: CP5511 ) USB çıkıģı üzerinden ( Ör: Simatic S7, PC Adaptör) Resim 8 de açılan pencerede kullanılan arayüzün S7-300 PLC ile haberleģme için kullanılacak fiziksel ortam (Usb, Com Port) belirlenir.ayrıca haberleģmede kullanılan parametreler ayarlanır.bu parametrelerin anlamları Ģöyledir ; MPI adress: PC nin, MPI ağına bağlandığında alacağı adres belirlenir. Tımeout: MPI ağında bir hata oluģtuğunda ağın ne kadar süreyle izleneceğini belirler. Mesela ağda haberleģme yoğunluğundan dolayı cevap paketlerinde bir gecikme olduğunda ayarlanan süre kadar PC cevabın gelmesini bekler.alabileceği değerler 10 s., 30 s., ve 100 s. dir Transmission Rate: Ağda kullanılacak haberleģme hızı belirlenir. Alabileceği değerler 1.5 Mbps., 187.5 Kbps., 19.2 Kbps. dır. Highest Station Adress: Ağa bağlı olan cihazlara verilebilecek en yüksek adres girilir. Alabileceği değerler 15, 31, 63, 126 dır. MPI ağı, seri olarak kendine has bir protokolle, RS 485 fiziksel katmanı üzerinden haberleģen bir ağ yapısıdır. Ağdaki haberleģme hızı, ağdaki modülleri birbirine bağlayan haberleģme kablosunun uzunluğuna ve ağda haberleģen modül sayısına bağlıdır. Bu bağlamda PC ile PLC arasındaki haberleģme hızını ve timeout süresini ağın durumuna uygun olarak seçmek gerekir. PC-PLC arasındaki bağlantıyı sağlayabilmek için haberleģme iģlemini sağlayan cihazın ayarları yapılmalıdır. Bu iģlem STEP 7 ile beraber gelen PG-PC- Interface programı aracılığıyla yapılır. 209
Endüstriyel Otomasyonda Siemens Simatic S7-300 PLC nin Kullanımı VI. SONUÇ Resim 8: Properties PC Adapter(MPI) Penceresi V. STEP 7 SIMATIC MANAGER PROGRAMININ SIMÜLASYON ĠLE HABERLEġMESĠ Simülasyon programı gerçekte PLC nin bilgisayara bağlı olmadan kullanıcının yazmıģ olduğu PLC programlarının çalıģtırılmasını sağlar. Simülasyon ile haberleģme yapılırken OPTIONS seçeneğinden Set PG/PC Interface sekmesi seçilir. Daha sonra PLCSIM(MPI) seçeneği seçilerek programın çalıģtırılması sağlanmıģ olur ve Resim 10 da görülen kullanıcının program yazacağı ekran açılır. Resim 9: PLCSIM(MPI) Seçme Penceresi 70 li yıllardan itibaren endüstride hızla yaygınlaģan PLC kullanımı, günümüzde pek çok marka ve yüzlerce modele ulaģmıģtır. PLC kullanımına olan talebin hızla artmasının nedenleri, PLC nin özellikle fabrikalarda otomasyon, asansör tesisatları, otomatik paketleme, enerji dağıtımları sisteminde ve taģıma bandı sistemlerinde, doldurma sistemlerinde ve daha birçok alanda üretimi destekleyen ve verim artıģının yanı sıra ürün maliyetinin minimuma çekilmesidir. Klasik röleli kumanda sistemlerinin yerlerine PLC sistemi ile programlanabilir kontrol sistemlerinin alması teknik yönden büyük bir yeniliktir. Endüstride, Siemens S7-300 PLC çok fazla kullanım alanına sahiptir. Kullanıcılar donanıma göre program yazarken teknik bilgiler önem arz etmektedir. Bu makalede, yazılımın donanımla haberleģmesinde kullanılacak olan Siemens S7-300 PLC nin nasıl kullanılacağı hakkında teknik bilgi yetersizliği gibi eksikliklerin ortadan kaldırılması, Step 7 Simatic Manager editör programı kullanılarak PLC programının oluģturulması ve dikkat edilmesi gereken hususlar verilmiģtir. KAYNAKLAR [1] H. AteĢ, R. Bayındır, PLC Kontrollü Sürtünme Kaynak Cihazı Tasarımı ve Uygulaması, Zonguldak KaraElmas Üniversitesi Teknoloji Dergisi,Yıl 5, 2002, Sayı 3-4, s.97-104. [2] Ġ. Çolak, R. Bayındır, S. KuĢcu, PLC Kontrollü Asansör Eğitim Seti Tasarımı ve Uygulaması, Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, s.86 94, 2007. [3] R. Bayındır, E. Bekiroğlu, S. Toksoy, PLC Tabanlı PID Denetimli Mesafe Ölçüm Sisteminin Tasarımı ve Uygulaması, TMMOB IV Otomasyon Sempozyumu, 2007. [4] A. BektaĢ, R. Bayındır, Ġ. Çolak, Asenkron Motorların Korunmasına Yönelik PLC Tabanlı Bir Uygulama, Politeknik Dergisi, Cilt:10, Sayı: 2 s.117-121, 2007. [5] H. M. Ünver, Ġndüksiyon Ocaklarının Güç Kaynaklarında Kullanılan Eviricilerin PLC ile Denetiminin Tasarımı ve GerçekleĢtirilmesi, Elektrik-Elektronik- Bilgisayar Mühendisliği 10. Ulusal Kongresi, 2003. [6] S. Soygüder, H. Alli, Programlanabilir mantıksal denetleyici Kullanılarak PID yöntemi ile robot hız denetimi, Fırat Üniversitesi Fen ve Mühendislik Dergisi, Vol 18, s.113-121, 2006. [7] A. Ezer, PLC ile Loto Makinesinin Kontrolü, Gazi Üniversitesi, F.B.E., Yüksek Lisans Tezi, 2003. [8] S. Kurtulan, Programlanabilir lojik kontrolörler ve uygulamaları, BileĢim Yayıncılık, Ġstanbul, 1996. [9] R. Çetin, S7-300 PLC lerde Programlama. Ankara: Pelin Ofset, 2008. [10] Y. Eminoğlu, PLC Programlama ve S7-300. Ankara:Ege, 2008. Resim 10: PLC Programının Yazıldığı Pencere 210