TITOLO ESPERIENZA:
Controllo della stampatrice con nastro trasportatore a
24V di fischertechnik mediante il PLC Siemens S7-1200 e
il software Step 7 TIA Portal
PRODOTTI UTILIZZATI:
OBIETTIVO:
Realizzare l’integrazione tra Siemens e fischertechnik, interfacciando
la stampatrice con nastro trasportatore a 24V di fischertechnik con il
PLC Siemens S7-1200 mediante il software Step 7 TIA Portal.
AUTORE:
Pietro Alberti (Media Direct srl, Italia) – [email protected]
RINGRAZIAMENTI:
Roberto Guidi (Siemens SCE, Italia)
Wohlfarth Laurenz (fischertechnik GmbH, Germany)
FILE A CORREDO:
Software: Stampatrice_fischertechnik+Siemens (3.7 MB)
Video: http://youtu.be/SDxv7gYVkuk
Dedicato a Marco, Luca, Chiara, Francesco e Maria
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FISCHERTECHNIK: DESCRIZIONE DEL MODELLO
Un pezzo cilindrico da lavorare viene depositato in ingresso su un nastro trasportatore che lo
porta verso una stampatrice per la punzonatura.
L'utensile scende, eseguendo la punzonatura e poi risale.
Infine il nastro riporta indietro il pezzo, nella posizione in cui è stato depositato, pronto per
essere prelevato.
Il modello è provvisto di 4 INGRESSI (sensori I1,I2,I3,I4) e 4 USCITE (Q1/Q2,Q3/Q4).
4 INGRESSI:
Due barriere fotoelettriche (I1,I2) per rilevare la presenza del pezzo sul nastro trasportatore e
due fine-corsa (I3,I4) indicanti la posizione dell'utensile.
I1: barriera fotoelettrica posizione di entrata/uscita
I2: barriera fotoelettrica posizione di lavorazione
I3: fine corsa punzone stampatrice in alto (stampatrice/punzonatore)
I4: fine corsa punzone stampatrice in basso (stampatrice/punzonatore)
4 USCITE:
Quattro uscite, due per ciascuno dei due motori, per comandare il senso di marcia:
Q1: motore nastro avanti
Q2: motore nastro indietro
Q3: motore stampatrice/punzonatore salita
Q4: motore stampatrice/punzonatore discesa
Il modello fischertechnik funziona a 24 Volt: i segnali di
ingresso/uscita possono essere collegati direttamente al PLC!
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Il modello arriva dal produttore fischertechnik già assemblato e cablato con una schedina per
l’interfacciamento al PLC. Tale schedina include una morsettiera con contatti a molla per rapido
test/prototipazione e un connettore IDC maschio 26P diritto per cavi flat/piatti.
Il modello include un documento che descrive precisamente la piedinatura dei contatti
disponibili nella scheda per l’interfacciamento:
La numerazione dei terminali del connettore IDC maschio 26P per cavi flat coincide con quella
dei contatti a molla.
Motore
Lampada
Fototransistor
24V , Imax=300 mA
24V, Imax=40 mA
24V , Imax=75 mA
Switch
La barriera fotoelettrica è composta da una lampada
allineata ad un fototransistor e rappresenta un contatto
NC, (normalmente chiuso, e quindi a livello logico alto H).
Se il pezzo interrompe il fascio di luce, il sensore fornisce
un valore logico basso L.
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SIEMENS: PLC S7-1200
Il PLC scelto per il controllo del modello è un Siemens S7-1200.
Per la precisione è stata scelta la CPU 1212C AC/DC/Relè: 8
DI ingressi digitali, 6 DO uscite relè, e 2 AI ingressi analogici, 1
presa di rete Ethernet ed è programmabile con il potente
software Siemens TIA Portal.
Ecco alcune considerazioni in merito a tale scelta:
- La scelta è ricaduta sull’alimentazione di rete AC (220V), per
evitare l’uso di un alimentatore esterno a 24 VDC.
Gli ingressi e le uscite digitali sono perfette per la comunicazione
con il mondo fischertechnik:
- le uscite relè sono già in grado di azionare direttamente i motori fischertechnik.
- gli ingressi digitali che possono essere collegati direttamente ai segnali di feedback
provenienti dai sensori fischertechnik.
Inoltre la CPU è dotata di un Web server che consente l'accesso tramite pagine Web ai dati
della CPU e ai dati di processo in essa contenuti. Il PLC S7-1200 fornisce inoltre un supporto
per la creazione di pagine Web personalizzate dalle quali è possibile accedere ai dati della CPU.
Queste pagine possono essere sviluppate con un qualsiasi strumento di progettazione con
linguaggio HTML e comprendono dei comandi "AWP" (Automation Web Programming)
predefiniti nel codice HTML per accedere ai dati della CPU: ottimo spunto per una esercitazione
futura.
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ALIMENTAZIONE E COLLEGAMENTI ELETTRICI
Alimentazione del modello fischertechnik:
Il modello richiede una alimentazione a 24 Volt e, valutando il consumo
richiesto (vedi Imax dei componenti fischertechnik a pagina 3), si è utilizzato un
alimentatore 24V LOGO!Power 24V/1.3A.
- I due terminali (+24V e –24V) vanno collegati rispettivamente ai pin 1 e 3
della schedina fischertechnik,.
- I pin 1 e 2 nella schedina fischertechnik (24VDC) vanno collegati assieme
(facendo un ponticello tra i 2 morsetti)
- I pin 3 e 4 nella schedina fischertechnik (GND) vanno collegati assieme (altro
ponticello)
Alimentazione del PLC S7-1200:
Avendo scelto la versione AC/DC/RLY, basta collegare (con attenzione) i 220V ai terminali L1 e
N del PLC.
Notare che il PLC offre una tensione 24VDC (terminali L+,M), ma serve solo come uscita di
alimentazione per sensori a 24 V DC: NON si può usare questa tensione per alimentare il
modello fischertechnik.
-Il morsetto 1M (massa per gli ingressi digitali) va collegato al morsetto –24V del modello
fischertechnik (pin 3 della schedina fischertechnik), per una maggiore immunità al rumore.
-Il morsetto 1L delle uscite relè va collegato al morsetto +24V dell’alimentatore LOGO!Power.
Collegamenti ingressi/sensori e uscite/motori:
I segnali dei sensori fischertechnik (I1, I2, I3, I4) possono essere collegati direttamente agli
ingressi del PLC S7-1200.
I segnali delle uscite fischertechnik (Q1, Q2, Q3, Q4) possono essere collegati direttamente
alle uscite relè dell’S7-1200.
Ecco lo schema di collegamento utilizzato:
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COLLEGAMENTO ETHERNET
Il PLC S7-1200 dispone di una porta Ethernet RJ45.
Per la programmazione è stato usato un computer, munito di porta Ethernet e del software TIA
Portal.
Nel PLC S7-1200 si deve impostare un indirizzo IP compatibile con il PC (operazione molto
semplice, eseguibile mediante il software TIA Portal).
STEP7
(TIA Portal)
PC
Collegamento
Ethernet
S7-1200
Nella tabella seguente è riportata la configurazione usata nell’esperienza.
Indirizzo IP:
Sottorete:
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COMPUTER
PLC S7-1200
192.168.0.22
192.1768.0.235
255.255.255.0
255.255.255.0
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PROGRAMMAZIONE DEL PLC
Ingressi e uscite sono così configurati:
Segnali
Siemens
S7-1200
DI .0
DI .1
DI .2
DI .3
DO
DO
DO
DO
Segnali
fischertechnik
.0
.1
.2
.3
I1
I2
I3
I4
Barriera normalmente CHIUSA (H)
Barriera normalmente CHIUSA (H)
Fine-corsa normalmente APERTO (L)
Fine-corsa normalmente APERTO (L)
Q1
Q2
Q3
Q4
Marcia avanti motore nastro
Marcia indietro motore nastro
Comando salita motore stampatrice
Comando discesa motore stampatrice
Per governare il funzionamento del sistema è stato implementato un modello a stati.
Si è utilizzato il linguaggio di programmazione SCL (Structured Control Language)
presente nel Siemens TIA Portal.
Il linguaggio SCL è molto simile al linguaggio di PASCAL e aiuta a fare un rapido sviluppo del
software.
Descrizione del funzionamento
Un pezzo cilindrico deve essere depositato, trasportato verso l’utensile per eseguire uno
stampo 2 volte per poi essere riportato in uscita, pronto per essere prelevato.
Schematicamente:
1) All’avvio del sistema tutto è fermo, in attesa che venga depositato il pezzo in ingresso (I1).
2) Quando viene depositato il pezzo, dopo 3 secondi di ritardo, il nastro viene azionato (marcia
avanti) e il pezzo trasportato verso la macchina stampatrice (sensore I2)
3) Quando il pezzo arriva in posizione, il nastro si ferma e inizia la discesa dell’utensile della
stampatrice fino al fine corsa I4
4) Raggiunto I4 inizia la risalita dell’utensile fino al fine corsa I3
5) Vengono ripetuti i punti 3) e 4), ossia avvengono due stampaggi sullo stesso pezzo
6) Raggiunto I3, il nastro porta in uscita il pezzo lavorato (I1). Solo dopo aver prelevato il
pezzo può ripartire il ciclo.
Modello a stati:
Stati del sistema:
A: Attesa deposito pezzo in ingresso (dopo
aver depositato il pezzo, 3 secondi di ritardo
prima di avviare nastro trasportatore)
B: Pezzo in moto verso isola di lavoro
(stampaggio/punzonatura)
C: Pezzo in posizione per lavorazione e
utensile in discesa (eseguire 2 stampaggi
sullo stesso pezzo)
D: Pezzo in posizione per lavorazione e
utensile in salita
E: Pezzo in moto verso uscita (dopo arrivo,
attesa prelevamento e poi ripartenza ciclo
dallo stato A)
Il sistema passa in sequenza gli stati A-B-CD-C-D-E ... e poi si ripete.
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Programmazione in TIA Portal
- Le variabili che rappresentano gli ingressi e le uscite sono state definite a livello di TAG del
PLC:
- E’ stato definito il Data Block “DBGen” di tipo Global contenente alcune variabili, tra cui:
- lo stato del sistema, di tipo char (valori: ‘A’, ‘B’, ‘C’, ‘D’, ‘E’)
- il contatore di stampi eseguiti, di tipo Int (valori: 0,1,2)
- E’ stato definito un Function Block FB1 “gestione_io” di gestione del sistema che implementa
la macchina a stati e che viene eseguito ciclicamente dal blocco di programma principale OB1
(blocco organizzativo ciclico).
Interessante l’uso dei Timer TON per introdurre dei ritardi nei cambiamenti di stato.
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FOTO FINALE (01-02-2013)
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CONSIDERAZIONI FINALI (05-02-2013)
Il modello fischertechnik, pur disponendo solamente di 4 ingressi e 4 uscite, si è dimostrato
tuttavia molto interessante e ricco di aspetti tecnici hardware/software e di spunti per
miglioramenti e implementazioni da sviluppare in seguito.
Ecco alcune riflessioni finali suddivise tra hardware e software.
HARDWARE
Cablaggio: è comodo, basta un semplice tester per verificare la correttezza dei contatti. Si
può cablare il tutto con fili volanti, grazie alla morsettiera con
contatti a molla, però risulta più ordinato e facile da
montare/smontare se si usa un cavo flat (cavo piatto) con
connettore IDC maschio 26P, visto che la schedina fischertechnik
offre anche un altro connettore proprio a tal scopo.
Si potrebbe ulteriormente rendere più flessibile mediante l’impiego delle morsettiere rimovibili
di Siemens, che consentono di cablare il sistema una sola volta, con un conseguente risparmio
di tempo prezioso.
Stati logici I/O: è molto utile il fatto di avere sulla CPU i led indicatori dello stato degli
ingressi e delle uscite (DI/DO) in fase di collegamento e debug del sistema: si può capire al
volo lo stato dei sensori.
In particolare si può notare che le barriere fotoelettriche del modello sono normalmente allo
stato logico alto (true, H, 1) e passano allo stato logico basso
quando sono interrotte dal pezzo; i fine corsa invece (se non
premuti) sono allo stato logico basso (false, L , 0).
Numero di ingressi/uscite: la CPU usata (1212C
AC/DC/RLY) è estremamente potente e veloce e il numero di ingressi/uscite è più che
sufficiente per il modello fischertechnik oggetto di questa esperienza.
Mediante uno o più moduli Siemens di espansione di ingressi/uscite si può arrivare a gestire
una vera e propria “catena di montaggio” combinando assieme gli altri modelli
fischertechnik a 24V:
Nastro
trasportatore
Braccio robotico a
3 assi con pinza
Nastro trasportatore a
C con 2 isole di lavoro
Stazione di lavoro
pneumatica
Pannello operatore: nell’esperienza si è aggiunto infine un pannello operatore
(un KTP400 a colori), per gestire e visualizzare il modello in maniera più
versatile e aumentare così l’interazione uomo-macchina. TIA Portal offre un
ambiente di programmazione dei pannelli operatore (HMI) che permette in
tempi rapidi di sviluppare la propria applicazione.
In particolare, mediante il pannello usato, sono state create alcune pagine per: spiegare e
documentare come funziona il modello, per modificare alcuni parametri del modello (variabili
della CPU) e per fare una supervisione in real-time dello stato del sistema e degli I/O.
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SOFTWARE
Il software realizzato è “essenziale”, ridotto al minimo, giusto per mettere in funzione il
sistema.
Ma sono tanti i possibili complementi e/o varianti che si potrebbero implementare, tra cui la
parametrizzazione del sistema (tempi di ritardo per la salita/discesa dell’utensile, conteggio
pezzi lavorati, ecc.).
Come ultimo aspetto software, si è sviluppato un sistema di supervisione/controllo via
Web, grazie al Web server integrato nella CPU S7-1200 che consente di sviluppare pagine
HTML specifiche per la propria applicazione.
Sono state sviluppate tre pagine HTML, utilizzando i comandi AWP di Siemens:
- home page (descrizione generale)
- pagina di setup e descrizione dettagliata del funzionamento del sistema con possibilità di
variare 2 parametri del sistema (ritardo alla partenza e numero di stampaggi)
- pagina di supervisione (visualizzazione I/O, variabili, ecc.)
Home page:
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Pagina di descrizione/setup:
Qui è possibile modificare il valore di 2 parametri del sistema:
- tempo di ritardo con cui parte il pezzo dopo essere stato depositato sul nastro
- numero di stampi da eseguire su ogni pezzo
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Pagina di supervisione del sistema:
Si è rivelata molto interessante questa ultima parte dell’esperienza, poiché ha consentito di
“toccare con mano” un esempio reale di applicazione delle pagine HTML nel contesto
dell’automazione industriale.
Grazie per la vostra attenzione!
Pietro Alberti
[email protected]
05 Febbraio 2013
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