Erschienen am: 28.05.2009, Ausgabe SPS-MAGAZIN 6 2009

Simatic S7-1200
Das neue modulare Kleinsteuerungssystem

Die Micro-SPS Simatic S7-1200 ist der neue modulare Controller aus dem Hause Siemens für kompakte Applikationen im unteren Leistungsbereich. Hauptaugenmerk bei der Entwicklung der Software wurde dabei auf die nahtlose Integration und das Zusammenspiel von Controller, HMI und Software gelegt. So ist etwa aufgrund dieser Integration eine Mehrfacheingabe von Variablen unnötig, da alle relevanten Daten in einer gemeinsamen Datenbasis verwaltet werden. Hierdurch werden Fehler bereits bei der Erstellung von Software vermieden.

Autor: Dipl.- Ing. (FH) Markus Kempf, Siemens AG


Wie bei der im Markt bewährten Simatic S7-200 besteht das Hardwarespektrum auch bei der neuen Kleinsteuerung aus Basis-CPU-Baugruppen, die mit unterschiedlichen Erweiterungsbaugruppen ergänzt werden können. Insgesamt sind aktuell drei unterschiedliche CPU-Typen als Weitbereichs-Wechselspannungs- oder -Gleichspannungs-Kom­pakt-Controller verfügbar. Diese unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Anzahl der integrierten Ein- und Ausgänge sowie durch unterschiedliche Speicherkapazitäten und Erweiterungsmöglichkeiten (siehe Tabelle). Die neuen CPU-Module haben schnellere Prozessoren und einen größeren Speicher, der sich flexibel zwischen Programm- und Anwendungsdaten aufteilen lässt. Der Anwender muss sich zu Beginn seines Projektes nicht festlegen, wie er seine Software organisieren möchte, sondern widmet sich den zur Lösung seiner Automatisierungsanwendung relevanten Aufgaben. Mit 2.048Byte remanentem Datenspeicher bietet die neue Kleinsteuerung ausreichend Sicherheit, um Aktualdaten auch bei Spannungsausfall verfügbar zu halten. Für anspruchsvolle Technologieaufgaben sind Technologiefunktionen für Zählen, Messen, Regeln und Motion Control bereits standardmäßig integriert. So sorgen z.B. schnelle Zähler in Verbindung mit 100kHz-Digitaleingängen auf jeder CPU für ein Mehr an Positioniergenauigkeit bei einfachen Positionieraufgaben, aber auch bei höheren Frequenzen. Über die integrierte Profinet-Schnittstelle (unterstützte Protokolle: TCP/IP, ISO-on-TCP, S7-Kommunikation) wird eine einfache Vernetzung und Kommunikation zwischen Engineering-System, Controllern und HMI beispielsweise für die Programmierung und zur CPU-zu-CPU-Kommunikation möglich. Über diese Schnittstelle werden auch die Simatic HMI Basic Panels zur Visualisierung angeschlossen. Neu sind die sogenannten Signal Boards. Diese werden einfach auf die Vorderseite der jeweiligen CPU-Baugruppe aufgesteckt. Sie sind aktuell in zwei Varianten verfügbar, zum einen mit zwei Digitalein- und -ausgängen, zum anderen mit einem Analogausgang. Damit lässt sich die Anzahl der Ein-/Ausgabekanäle auf der Zentralbaugruppe anpassen, ohne den 'Footprint' des Gesamtaufbaus zu verändern. Neben den neuen Signal ­Boards stehen unterschiedliche Erweiterungsmodule zur Verfügung. Damit kann der Anwender die Steuerung gemäß den technologischen Anforderungen dimensionieren oder künftige Systemerweiterungen umsetzen. Der Anschluss der Erweiterungsmodule erfolgt über die integrierte Schiebeverriegelung auf der Frontseite des jeweiligen Signal Modules. Verfügbar sind Digitaleingangs- und -ausgangsbaugruppen (z.B. 8 DI, 16 DI, 16 DI/16 DO) sowohl mit DC als auch mit Relaisausgängen wie auch Analogbaugruppen (z.B. 4 AI, 2 AO, 4 AI/2AO). Alle Signal-Erweiterungsmodule bis auf 32-Kanal-Ein-/Ausgabemodule ha­ben eine einheitliche Baubreite von 45mm und bieten somit ein hohes Maß an Flexibilität bei Anlagenveränderungen oder -erweiterungen. Um für alle Einsatzgebiete ein Höchstmaß an Flexibilität und Skalierbarkeit zu gewährleisten, wurde nachfolgenden Punkten ein besonderes Augenmerk gewidmet.

Offene Kommunikation


Für eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation stehen zwei unterschiedliche Communication Modules zur Verfügung, die eine Verbindung über RS232- oder RS485-Schnittstellen ermöglichen. Die Datenübertragung erfolgt wählbar im sogenannten 'Freeport'-Modus der CPU (dabei wird ein anwenderspezifisches, Bit-orientiertes Kommunikationsprotokoll (ASCII-Zeichen) übertragen) oder aber über Protokolle wie USS oder Modbus RTU. Hierdurch ist der Anschluss beliebiger Endgeräte mit serieller Schnittstelle, z.B. Antriebe, Drucker, Barcodeleser, Modems usw., einfach möglich.

Flexible Netzwerktopologien


Mit dem 'unmanaged 4-Port-Ether­net/Profinet-Switch CSM 1277' mit vier RJ45-Buchsen lassen sich mehrere Controller oder HMI-Geräte vernetzen; da­mit ist die Realisierung verschiedenster Netzwerktopologien möglich.

Reproduzierbarkeit


Um ein Anwenderprogramm auf mehrere CPUs zu übertragen oder um die Firmware von CPUs, Signal Modules und Communication Modules zu aktualisieren, stehen Speicherkarten mit 2 und 24MByte zur Verfügung. Diese werden einfach in die jeweilige CPU gesteckt, zur Aktualisierung muss diese kurz aus- und wieder eingeschaltet werden. Bei der Aktualisierung der Firmware bleibt das bereits hinterlegte Anwenderprogramm der CPU zur Sicherheit erhalten.

Erweiterte Umgebungsbedingungen


Für härtere Umweltbedingungen steht die Steuerungshardware auch in einer 'Ruggedized'-Ausprägung zur Verfügung. Hierdurch unterstützt auch bei härtesten Bedingungen eine Standard-Hardware die Nutzung, die sich durch einen deutlich erweiterten Temperaturbereich (-25 bis +70°C) sowie Schutz gegen Betauung und korrosive Schadgase auszeichnet. Das Handling seitens Projektierung und Programmierung unterscheidet sich jedoch nicht gegenüber der Standardversion.

Bedienen und Beobachten


Ergänzt wird das abgestimmte Angebot aus Controller und Engineering-System durch eine Palette von sogenannten HMI Basic Panels in hoher Schutzart IP65 und mit integrierter Profinet-Schnittstelle. Die Panels verfügen über vollgrafische Displays und bieten durchgängig dieselbe Funktionalität bei Meldesystem, Rezepturverwaltung und Kurvenfunktionen. Unterschiede bestehen u.a. in der Anzahl der verwendbaren Funktionstasten. Die Panels sind in unterschiedlichen Ausführungen (Monochrom und mit TFT-Display) in verschiedenen Größen von 4, 6, 10 und 15" verfügbar.

Die Stromversorgung


Die Stromversorgung PM1207 (24V/2,5A) ist immer dann optimal, wenn angeschlossene Verbraucher durch die Simatic S7-1200 (mit DC-24V-Eingängen) standardmäßig nicht mehr versorgt werden können. Durch Parallelschaltung zweier Netzgeräte werden bis zu 5A Nennstrom bereitgestellt. Das geregelte Netzgerät ist im Design und in der Funktionalität voll an die neue Micro-Controller-Familie angepasst. Es lässt sich wie ein S7-1200-Modul in den SPS-Verbund integrieren. Die Montage dieses kompakten Stromversorgungsmoduls kann auf der gemeinsamen Hutschiene erfolgen. Stromhungrige Ausgabemodule und angeschlossene Verbraucher werden zuverlässig mit 24V versorgt (±3% genau). Selbst empfindlichste elektronische Verbraucher wie analoge Messwertgeber lassen sich mit der exakt geregelten 24V-Gleichspannung betreiben. Die automatische Umschaltung der Eingangsspannung 120V/230VAC und der hohe Funkentstörgrad Klasse B lassen den Einsatz unter vielen Umgebungsbedingungen zu.

Engineering


Das neue Engineering-System ermöglicht ein integriertes Arbeiten von Controller und HMI. Die Programmierumgebung Simatic Step7 Basic V10.5 mit integriertem Visualisierungssystem WinCC Basic unterstützt den Anwender mit aufgabenorientierten und intuitiven Editoren, die für eine hohe Bedienerfreundlichkeit und Effizienz im gesamten Engineering sorgen. Der Arbeitsbereich der Software ist klar strukturiert. Neben dem eigentlichen Fenster zur Programmerstellung sorgt der sogenannte Projektbaum, der ähnlich gestaltet ist wie der Windows Explorer, für eine strukturierte Übersicht auch komplexer Projekte. In der Projektansicht ist ein objektorientiertes Arbeiten möglich, das schnellen Zugriff auf alle erforderlichen Editoren, Parameter und Daten bietet. Die Netzansicht in Bild 5 zeigt den vollständigen Aufbau der Anlage mit allen Vernetzungen und Verbindungen, z.B. zu den entsprechenden HMI Basic Panels, während die Geräteansicht alle Parameter der angezeigten Konfiguration darstellt. Die Netzansicht wird im Wesentlichen zur Konfiguration der jeweiligen Anlage genutzt.

Bibliothekskonzept


Eine deutliche Erleichterung und ein Mehr an Flexibilität bietet das von der Simatic S7-200 weiterentwickelte Bibliothekskonzept. Auf diese Weise lassen sich Elemente wie Blocks, Tags, Alarme, HMI Screens, einzelne Baugruppen oder komplette Stationen in lokalen oder globalen Bibliotheken archivieren. Die einzelnen Bibliotheken lassen sich nicht nur mehrfach innerhalb eines Projektes, sondern auch bei weiteren Projekten einfach und schnell nutzen. Im Bedarfsfall können bei Erweiterungen oder Veränderungen einzelne Module getrennt bearbeitet werden. Damit lässt sich bei gleichen, ähnlichen oder veränderten Automatisierungsaufgaben viel Aufwand bei der Programmierung und beim Testen der Anlage sparen, da bestehende Programmteile nicht immer wieder neu erstellt werden müssen, sondern der Anwender auf bereits erstellte und erfolgreich umgesetzte Programmteile einer Bibliothek zurückgreifen kann und sich auf die zu ändernden oder neu zu erstellenden Programmteile konzentrieren kann. Weitere Highlights des Systems sind die integrierten Technologiefunktionen wie PID-Regler oder Motion Control für einfache Bewegungsführung unter Nutzung der nach PLCopen standardisierten Funktionsbausteine.

Motion Control


So sind die Controller in der Lage, preiswerte Schrittmotoren sowie Servomotoren über die integrierten PulseTrainOutputs (PTO) mit bis zu 100kHz anzusteuern. Vorteil des Basic-Motion-Control-Konzeptes nach PLCopen ist eine Trennung von physikalischer Hardware und der tatsächlichen Bewegungsführung der Antriebe in der Software. Hierdurch wird bei gleichzeitiger Reduzierung der Aufwände eine Langzeitverfügbarkeit des aufgebauten Know-hows sichergestellt. Durch die volle Integration in Step7 Basic ist eine einfache, leicht anzuwendende, schnelle Programmerstellung sichergestellt. Mit Motion-Control-Funktionsbausteinen ist ohne tiefgehende Programmierkenntnisse die Realisierung in einem klar strukturierten Anwenderprogramm verwirklicht. Bei der Erstellung der Applikationssoftware ist der Fokus konsequent auf die Realisierung der Technologie Motion Control gerichtet.

PID-Regelkreise


Für einfache Prozessautomatisierungsaufgaben stehen die integrierten 16 gleichzeitig ausführbaren PID-Regelkreise zur Verfügung. Im Engineering steht es dem Anwender frei, seine Regelung direkt in den tatsächlichen Prozessdaten in °C für Temperaturregelungen oder in bar für Druckregelungen zu parametrieren. Die Autotune-Funktionalität bietet die Möglichkeit, sich die prozessrelevanten P-, PI- oder PID-Werte des Reglers bestimmen zu lassen, bei gleichzeitiger grafischer Darstellung des Regelstreckenverhaltens.

Fazit


Mit der neuen Steuerungsgeneration Simatic S7-1200 als Basis steht zusammen mit dem integrierten Engineering-System Simatic Step7 Basic und den zugehörigen Simatic HMI Basic Panels eine leistungsfähige Plattform für viele Automatisierungsanwendungen zur Verfügung. Über die zukunftsweisende Software-Architektur ist eine langfristige Nutzung der Investitionen und des Know-hows des Anwenders sichergestellt. Durch die Nutzung des einheitlichen Bibliothekskonzeptes können Fehler bereits während der Projektierung neuer Anlagen vermieden werden. Hierdurch ergeben sich u.a. signifikante Einsparungspotenziale. Die Kleinsteuerung eignet sich für die rationelle Automatisierung kleinerer Maschinen ebenso wie als dezentrale Regelungskomponente in größeren Systemen. Als Einstieg wird zur Markteinführung der Simatic S7-1200 eine Einsteigerbox angeboten. Neben einer Weitbereichs-Wechselspannungs-CPU 1212C enthält diese die Software Simatic Step7 Basic und eine Step-by-Step-Fibel für einen schnellen Arbeitsbeginn.