Návod pro použití snímače tlaku Vytvořil: Ing. Ondřej Čožík Datum: 12. 2. 2015 Rev: 1.0
Obsah OBSAH... 1 ÚVOD... 2 1. POŽADAVKY PRO MOŽNOST ZAPOJENÍ SNÍMAČE DO PRŮMYSLOVÉ SÍTĚ... 2 1.1. STRUKTURA SÍTĚ... 2 1.2. HARDWAROVÁ KONFIGURACE... 4 1.2.1. Příklad hardwarové konfigurace... 4 1.3. POŽADOVANÝ SOFTWARE... 6 2. ZAPOJENÍ SNÍMAČE DO PRŮMYSLOVÉ SÍTĚ... 6 3. NASTAVENÍ PRŮMYSLOVÉ SÍTĚ... 7 4. NAČTENÍ IODD SOUBORU... 8 5. MĚŘENÍ HODNOTY TLAKU... 10 REFERENCE... 12 1
Úvod Dokument představuje manuál k nově vzniklému snímači tlaku firmy BD SENSORS s rozhraním IO- Link. Manuál je rozdělen do několika částí v logickém sledu tak, jak by měly být řešeny uživatelem při zakoupení uvedeného snímače. V první části návodu jsou popsány a zdůrazněny požadavky tak, aby bylo možné zcela bez problémů připojit tento nově vyvinutý senzor do průmyslové automatizační sítě. Při dodržení všech doporučení a požadavků pro zapojení snímače přichází další krok samotné připojení snímače do průmyslové automatizační sítě. Tento postup bude krok po kroku popsán v druhé části návodu. Jedním ze stěžejních bodů se zabývá třetí část návodu Nastavení automatizační sítě pro součinnost se snímačem. V této části bude ukázána jedna z možností, jak správně nakonfigurovat průmyslovou automatizační síť tak, aby byla komunikace mezi snímačem a prvky ve vyšší automatizační hierarchii zcela bez problémů. Po úspěšném nastavení konfigurace průmyslové automatizační sítě přichází na řadu správné nastavení samotného snímače tlaku. Všechny senzory jsou jednoznačně popsány pomocí tzv. IODD souboru (IO-Link Device Description File). Tento soubor je nutné přidat do nastavení PLC. Postupem přidání IODD souboru pro nový snímač tlaku se bude zabývat čtvrtá část návodu Načtení IODD souboru pro snímač tlaku. Jakmile je celá automatizační síť včetně senzoru nakonfigurována, nezbývá než ověřit správnou funkčnost. Jakým způsobem lze získat hodnotu z připojeného senzoru v PLC a ověřit tak funkčnost všech prvků bude ukázáno v poslední části tohoto návodu. Veškeré vzorové příklady uvedené v tomto dokumentu byly vyzkoušeny na PLC Simatic S7-300 a produktech od firmy Balluff, jak je uvedeno dále. 1. Požadavky pro možnost zapojení snímače do průmyslové sítě Pro možnost zapojení vzniklého snímače tlaku do automatizační sítě je nutné splňovat několik podmínek. V této kapitole jsou uvedeny jednotlivé požadavky na strukturu průmyslové sítě, na jednotlivá zařízení a nutné programové vybavení. 1.1. Struktura sítě Struktura průmyslové sítě pro zapojení nového senzoru tlaku není jednoznačně definována. V každém případě musí být dodržena podmínka, že senzor tlaku (představující podřízené zařízení tzv. IO-Link Slave) bude připojen k řídícímu zařízení (tzv. IO-Link master). Základní struktura takové průmyslové sítě může vypadat například dle obr. 1. Na vyšší hierarchické úrovni průmyslových sítí se běžně vyskytují další komunikační sběrnice jako je Průmyslový Ethernet (PROFINET) nebo sběrnice PROFIBUS apod. Tyto sběrnice jsou přizpůsobeny pro přenos většího množství dat například mezi operátorskou stanicí se samotným PLC, nebo HMI (viz obr. 1). Na nižších vrstvách průmyslových sítí se běžně využívají komunikační protokoly navržené pro komunikaci s nejrůznějšími typy snímačů. Jednou z možností komunikačního protokolu na této úrovni je právě IO-Link. 2
Obr. 1: Jedna z možných topologií průmyslové sítě pro zapojení snímače tlaku [1] V rámci návodu k snímači bude použito pro účely vzorového příkladu zapojení prvků na obr. 2. V zapojení se vyskytují dva různé komunikační protokoly (PPROFIBUS DP a IO-Link) a celkem tři komponenty (PLC, Převodník Profibus / IO-Link a Snímač tlaku od společnosti BD SENSORS). SIMATIC 300 (PLC) Profibus DP Převodník Profibus DP / IO-Link Balluff BNI PBS-507-001-Z011 IO-Link Snímač tlaku BD Sensors Obr. 2: Fyzické propojení komponent se snímačem tlaku od firmy BD SENSORS Z hlediska použitých komponent byl v příkladu použit programovatelný logický automat (PLC) od výrobce SIEMENS s označením SIMATIC-S7-300. Pomocí sběrnice PROFIBUS DP byl propojen k převodníku sběrnice PROFIBUS DP na rozhraní IO-Link od firmy Balluff, konkrétně BNI PBS- 507-001-Z011. K uvedenému převodníku byl připojen pomocí IO-Link rozhraní právě vyvinutý snímač tlaku. Detailní konfiguraci všech zařízení použitých v příkladu zapojení lze nalézt v následující části - Hardwarová konfigurace. 3
1.2. Hardwarová konfigurace Pro zapojení průmyslové automatizační sítě je nutné mít k dispozici několik základních prvků. V závislosti na konkrétní aplikaci a požadavcích je možné sestavit téměř libovolnou strukturu. Pro jednoduchost budou dále popsány dvě základní průmyslové sítě s minimálním počtem prvků. Základním prvkem každé konfigurace PLC musí být napájecí zdroj, který napájí současně i všechny jednotky a rozšiřující moduly k němu připojené. Druhou nutnou částí programovatelného automatu je procesorová jednotka vykonávající požadované úkony. Další části PLC jsou již odvislé od konkrétní aplikace, zpravidla jsou použity moduly digitálních a analogových vstupů/výstupů, případně mohou být přidány rozšiřující komunikační sběrnice PLC (například zmíněný PROFINET, PROFIBUS, IO- Link, apod.). Obr. 3: Náhled kompletní hardwarové konfigurace PLC SIMATIC S7-300 společnosti SIEMENS [2] Z hlediska potřebných zařízení za účelem zprovoznění základní průmyslové sítě se vzniklým snímačem tlaku mohou nastat dva případy PLC obsahuje rozšiřující modul a tím pádem je možné snímač tlaku připojit přímo k danému modulu PLC (například komunikační modul z řady SIMATIC ET 200SP s označením 6ES7137-6BD00-0BA0 od výrobce SIEMENS [3]). Druhou možností je, že PLC neobsahuje rozšiřující modul s rozhraním IO- Link v tomto případě je nutné zakoupit další zařízení, které bude představovat řídicí člen na rozhraní IO-Link (tento případ je uvažován v podkapitole Příklad hardwarové konfigurace). 1.2.1. Příklad hardwarové konfigurace Pro připojení snímače tlaku bylo vyzkoušeno zapojení zobrazené na obr. 2. Bylo použito PLC z řady SIMATIC S7-300 od firmy SIEMENS. Kompletní hardwarová konfigurace použitého PLC je uvedena v tab. 1. Tab. 1: Hardwarová konfigurace PLC Siemens SIMATIC S7-300 Pozice Označení Popis 1 PS 307 5A Napájecí zdroj 2 CPU 315F-2 DP Procesorová jednotka 3 FAI6x13Bit Modul analogových vstupů 4 AO4x12Bit Modul analogových výstupů 5 FDI24xDC24V Modul digitálních vstupů 6 FDO10xDC24V/2A Modul digitálních výstupů 4
Uvedený PLC umožňuje k procesorové jednotce připojit další jednotky pomocí komunikační sběrnice PROFIBUS DP, ale neobsahuje rozšiřující modul. Pro možnost připojení snímače tlaku právě k PLC byl vybrán převodník právě ze sběrnice PROFIBUS DP na rozhraní IO-Link s označením BNI PBS-507-001-Z011 od firmy Balluff. Tento převodník byl pomocí standardního kabelu pro PROFIBUS DP připojen k PLC. Obr. 4: Převodník PROFIBUS DP / IO-Link od společnosti Balluff [4] Uvedený převodník obsahuje celkem 4 IO-Link porty pro připojení nejrůznějších zařízení s podporou tohoto rozhraní, navíc vstupní a výstupní port pro PROFIBUS DP sběrnici. Snímač byl připojen k uvedenému převodníku pomocí standardního IO-Link kabelu (port 1). Obr. 5: Kabel BCC03AZ pro připojení snímače tlaku Standardní 4-vodičový nestíněný kabel může mít délku až 20 m, je osazen konektorem M12 na jednom konci a zdířce M12 na druhém konci. Kabel lze zakoupit například od firmy Balluff (označení BCC M425-M414-3A-606-PX0434-02) viz obr. 5. Obr. 6: Vyvinutý snímač tlaku společnosti BD SENSORS Nově vyvinutý snímač tlaku společnosti BD SENSORS je zobrazen na obr. 6. Součástí snímače je i přehledný displej přímo zobrazující měřený tlak v nastavených jednotkách. 5
1.3. Požadovaný software V závislosti na zvoleném dodavateli programovatelného logického automatu bude vyžadováno i programové vybavení pro základní nastavení sestavované průmyslové sítě. Ve výše uvedené konfiguraci se jednalo o PLC značky SIEMENS a tím bylo určeno, že je nutné získat i programové vybavení stejného výrobce pro konfiguraci/programování PLC. Programové vybavení firmy SIEMENS je označováno jako SIMATIC STEP 7. V konfiguraci použité v podkapitole Příklad hardwarové konfigurace bylo použito převodníku ze sběrnice PROFIBUS DP na rozhraní IO-Link. Pro každé zařízení připojitelné k PLC pomocí sběrnice PROFIBUS DP výrobce dodává tzv. GSD soubor (GSD File), který obsahuje informace o základních možnostech a nastaveních daného zařízení. Při použití GSD souboru při hardwarové konfiguraci je tak jednoznačně řečeno, jakým způsobem se s daným zařízením komunikuje a co vlastně data reprezentují. Více informací o GSD souboru lze nalézt například v [5]. Obdobným způsobem jako GSD soubory u sběrnice PROFIBUS poskytují IODD soubory (IODD File) informace o zařízeních. Tyto soubory jsou dodávané výrobcem, případně jsou k dispozici na stránkách výrobce pro stažení. IODD soubor pro vzniklý snímač tlaku společnosti BD SENSORS je k dispozici na odkazu http://www.umel.feec.vutbr.cz/vyzkum/vysledky/software/bdsiodd/bdsiodd.zip. 2. Zapojení snímače do průmyslové sítě Snímač tlaku je osazen standardním 4-pinovým IO-Link konektorem označovaným jako M12 (Male), který je běžně používán na senzorech. Zapojení konektoru M12 je zobrazeno na obr. 7. Obr. 7: Zapojení konektoru na snímači tlaku společnosti BD SENSORS [1] Na konektoru snímače jsou využity pouze 3 signály (viz obr. 7). Signály L+(pin 1) a L-(pin 3) představují napájení, které může v případě snímače tlaku dosahovat stejnosměrného napětí v rozsahu 18 36 V. Signál C/Q (pin 4) slouží právě pro účely IO-Link rozhraní, konkrétně umožňuje komunikaci a spínání, jak je zachyceno na obr. 7. Zbylé piny konektoru M12 jsou nevyužity. Pro zapojení snímače do průmyslové sítě je nutné použít kabel v závislosti na její konfiguraci. V případě použití převodníku PROFIBUS DP / IO-Link od společnosti Balluff uvedeného v kapitole Příklad hardwarové konfigurace lze použít kabel zobrazený na obr. 5. Pokud je použito jiných komponent, je nutné ověřit kompatibilitu uvedeného kabelu s použitými zařízeními, případně zajistit kabel doporučený výrobcem použitého IO-Link master zařízení. 6
3. Nastavení průmyslové sítě Pomocí programového vybavení výrobce PLC je zapotřebí průmyslovou síť řádně nastavit. Při použití programovatelných automatů firmy SIEMENS se jedná o program SIMATIC STEP 7. V konfiguračním programu je nutné nejprve založit nový projekt, ve kterém bude vytvořena hardwarová konfigurace PLC. Obr. 8: Kompletní hardwarová konfigurace vzorového systému Pro vytvoření hardwarové konfigurace pro PLC od výrobce SIEMENS lze využít detailního návodu tohoto výrobce [6]. V rámci konfigurace bylo nutné doinstalovat GSD soubor pro převodník PROFIBUS DP / IO-Link, který nebyl ve standardní nabídce konfiguračního nástroje. Přesný postup instalace chybějícího GSD souboru lze najít v [6]. Jakmile byl GSD soubor nainstalován, bylo možné sestavit vzorovou hardwarovou konfiguraci, která je zachycena na obr. 8. V konfiguraci PLC na obr. 8 je hned několik modulů dohromady tvořících PLC postupně je to napájecí zdroj, procesorová jednotka s komunikační sběrnicí PROFIBUS DP, následují analogové vstupy, analogové výstupy, nakonec digitální vstupy a výstupy. Pomocí komunikační sběrnice PROFIBUS DP, kterou obsahuje procesorová jednotka, je připojen zmiňovaný převodník PROFIBUS DP / IO-Link, který bylo možné přidat do konfigurace až po doinstalování potřebného GSD souboru pro PROFIBUS DP slave zařízení. Jak si lze všimnout z obr. 8, na portu 1 převodníku je nastaven jiný typ IO, než na zbylých portech zde byl připojen snímač tlaku společnosti BD SENSORS. Více informací je uvedeno v kapitole Měření hodnoty tlaku. 7
Obr. 9: Nastavení pinů jednotlivých portů převodníku Balluff Pro každý port převodníku PROFIBUS DP / IO-Link bylo zapotřebí ještě nastavit funkci jednotlivých pinů. Pro vzorový příklad demonstrující funkčnosti snímače tlaku bylo zvoleno nastavení pinů zobrazené na obr. 9. 4. Načtení IODD souboru Jak již bylo řečeno v kapitole Požadovaný software, pro automatické nastavení všech parametrů nejrůznějších zařízení slouží tzv. IODD soubor. Soubor obsahuje všechny konfigurační údaje potřebné pro připojení snímače tlaku do průmyslové sítě. IODD soubor pro snímač tlaku lze získat na adrese http://www.umel.feec.vutbr.cz/vyzkum/vysledky/software/bdsiodd/bdsiodd.zip. Pro načtení IODD souboru lze využít konfiguračního programu SIMATIC S7-PCT. K příkladu zapojení, které bylo popsáno v kapitole Příklad hardwarové konfigurace, byla vytvořena struktura propojení převodníku PROFIBUS DP/IO-Link a snímače tlaku firmy BD SENSORS zachycená na obr. 10. 8
Obr. 10: Načtený IODD soubor pro snímač tlaku společnosti BD SENSORS pomocí SIMATIC S7-PCT Na obr. 10 je vidět, že snímač tlaku je připojen na první port převodníku PROFIBUS DP / IO-Link. Mimo to jsou vypsány základní informace o připojeném zařízení na daném portu převodníku PROFIBUS DP / IO-Link. V programu je možné dále nastavit různé parametry jak snímače samotného, tak i detaily komunikace apod. (viz obr. 11). 9
Obr. 11: Parametry snímače tlaku firmy BD SENSORS získané z IODD souboru V případě použití programovatelných logických automatů výrobce jiného než je SIEMENS, je nutné použít pro načtení dodaného IODD souboru pro snímač tlaku programové vybavení dodávané zvoleným výrobcem. 5. Měření hodnoty tlaku Pro ověření komunikace mezi PLC a snímačem tlaku v rámci vzorového příkladu bylo využito pouze tabulky proměnných (Variable table) v programu SIMATIC STEP 7 od společnosti SIEMENS. Aby bylo možné sledovat aktuálně měřenou hodnotu snímačem tlaku, bylo nutné nejprve určit její periferní adresu. Obr. 12: Určení periferní adresy pro získání měřeného údaje tlaku Periferní adresa byla určena z hardwarové konfigurace, jejíž detail se zvýrazněním adresy je zobrazen na obr. 12. Následně bylo nutné založit tabulku proměnných v prostředí SIMATIC STEP 7 a dotázat se na hodnotu ze snímače tlaku na uvedené adrese. Hodnota ze snímače tlaku má velikost 2B a je uložena na periferní adrese 256 až 257. Pro přístup k hodnotě na periferní adrese musíme použít před adresou PIW, což značí, že se má číst vstupní hodnota z periferií o velikosti právě 2B (2B = 1Word). 10
Obr. 13: Vytvořená tabulka proměnných v prostředí SIMATIC STEP 7 s nenulovým měřeným tlakem Na obr. 13 je zobrazena zmíněná tabulka proměnných, kde je již přímo zadána periferní adresa, na které se nacházela hodnota ze snímače tlaku. Samotná hodnota je ve formátu BIN, tedy binárním zápisu a nachází se ve sloupci označeném Status value. 11
Reference [1] IO-Link Company Community. IO-Link System Description. [Online] 24. 11 2014. http://www.io-link.com/share/downloads/at-a-glance/io- Link_System_Description_engl_2013.pdf. [2] Siemens AG. SIMATIC Controllers. [Online] 22. 11 2014. http://www.automation.siemens.com/salesmaterial-as/brochure/en/brochure_simaticcontroller_overview_en.pdf. [3] Siemens AG. SIMATIC ET 200SP. [Online] 20. 11 2014. https://c4b.gss.siemens.com/resources/images/articles/e20001-a171-p240-v1-7600.pdf. [4] Balluff GmbH. BNI PBS-507-001-Z011 Profibus IO-Link Master User's Guide. [Online] 2. 12 2014. http://asset.balluff.com/std.lang.all/pdf/binary/893775_000_00_dok.pdf. [5] PROFIBUS and PROFINET International (PI). GSD files. [Online] 2. 12 2014. http://www.profibus.com/products/gsd-files/. [6] Siemens AG. SIMATIC - Configuring Hardware and Communication Connections STEP 7. [Online] 3. 12 2014. https://www.automation.siemens.com/doconweb/pdf/sinumerik_sinamics_03_2013_e/ S7_HW.pdf?p=1. 12