3 Opbouw en karakteristieken van de PLC - KHLim

Inleiding in de PLC Siemens S7
3 Opbouw en karakteristieken van de PLC
3.1 Blokschema
Een PLC bestaat uit 3 delen:
- een voeding of PS (Power Supply). Deze zet de netspanning van 230V AC om in
24V DC.
- een centrale verwerkingseenheid of CPU (Central Processing Unit). Deze zorgt
voor de uitvoer van het gebruikersprogramma.
- een aantal in- en uitgangsbouwgroepen. Deze kunnen geïntegreerd zijn (bv
314IFM die we in het labo gebruiken), als extra module in het centraal rack bij te
plaatsen of als decentrale periferie (DP) (Er is dan een busverbinding tussen CPU
en in/uitgangskaart. Bv PROFIBUS / ASI / Ethernet …)
Als randapparatuur hebben we een programmeerapparaat (PG of PC). Deze is enkel nodig bij
ontwerp/wijzigen en indienstname van een sturing. Eens opgestart werkt een PLC stand-
alone.
KHLim dep IWT MeRa 8/141

Inleiding in de PLC Siemens S7
3.2 CPU of centrale verwerkingseenheid
De centrale verwerkingseenheid of CPU is het brein van de PLC. De CPU verwerkt al
de aangeboden informatie. Deze informatie wordt in verschillende vormen
aangeboden aan de CPU.
- Instructies: het gebruikersprogramma en systeemprogramma
- Ingangssignalen
Het is deze CPU die de performantie van de PLC bepaald. Vroeger waren dit 8-bit
processoren, vandaag 16 en 32-bit. Niet alleen de snelheid is van belang maar ook de
ongevoeligheid voor storing die in industriële omgeving steeds aanwezig zijn.
De CPU bestaat uit:
- Logische eenheid (processor): deze verwerkt het programma, dat in het
programmageheugen staat, instructie per instructie (serieel) in tegenstelling tot de
klassieke sturingen waarbij de verwerking parallel geschied dwz dat meerdere
logische functies gelijktijdig uitgevoerd kunnen worden. Hierbij moet zeker
rekening gehouden worden bij het schrijven van het programma.
- Controle Unit. Deze zorgt voor onderlinge synchronisatie en het geven van de
besturingssignalen aan alle modules. (bv bij inlezen van PII)
- Accumulatoren: geheugen plaatsen voor het opslaan van tussenresultaten (dataaccumulatoren
(2 of 4)) en adres van de uit te voeren instructie (adresaccumulator)
- Geheugens: programmageheugen, systeemgeheugen, werkgeheugen.
- PII / PIQ: periferie input image, periferie output image.
- Bussysteem
- Voedingseenheid: deze zet de 24V DC van de PS om in 5V DC nodig voor de
processor
- bufferbatterij
KHLim dep IWT MeRa 9/141

Inleiding in de PLC Siemens S7
Eigenschappen van een CPU 314IFM / systeemfamilie standaard CPU’s 300 reeks Siemens
KHLim dep IWT MeRa 10/141

Inleiding in de PLC Siemens S7
KHLim dep IWT MeRa 11/141

Inleiding in de PLC Siemens S7
Karakteristieken van de CPU die de keuze van een geschikte CPU bepalen
(zie P 10)
- Work memory: geheugengebied dat gebruikt wordt voor de verwerking van het
programma (RAM)
- Load memory: geheugengebied voor de opslag van het programma.
(RAM/EEPROM/ SD)
- System memory: geheugengebied met het systeem programma (ROM)
- Speed: snelheid van uitvoeren van de instructies, uitgedrukt in ms of s per 1k
byte instructies
- Memory bits (*) : hulpgeheugen of merkers
- Tellers/counters (*)
- Clock memories: aantal memory bits (merkers) die ingesteld kunnen worden als
clock memory. Meestal 8 bits (1 byte ). Deze zullen allen een pulstrein generen
met een verschillende frequentie, die niet instelbaar is. Deze pulstrein kan in het
gebruikersprogramma gebruikt worden voor het aansturen van bv een knipperlicht.
- Retentive data area: Instelbaar gedeelte van het datageheugen dat bij
spanningsuitval ook zonder bufferbatterij zijn waarde niet verlies (vb
meetgegevens).
- Digitale en analoge in- en outputs : max aantal in- of uitgangen (digitaal/analoog)
die geadresseerd kunnen worden en eventueel het aantal geïntegreerde
in/uitgangen (onboard)
- Proces image: PII/POQ
- Blocks: max aantal blokken in het gebruikersprogramma.
- MPI: aantal MPI (Multi point interface) verbindingen
- Configuration: max aantal modules/racks
(*) adjustable retentively : de waarde gaat niet verloren bij spanningsonderbreking.
Het aantal hiervan is meestal instelbaar.
3.3 In- en uitgangskaarten
3.3.1 ingangseenheden
Signalen van besturing en proces worden aan de PLC aangeboden via de ingangskaarten.
Deze kaarten bestaan uit :
- storingsfilter: Dit is een RC netwerk om storingen buiten de PLC te houden. Deze
storingen kunnen bv contactdender zijn. Nadelig aan deze filter is echter de
vergroting van de responsietijd. Zo zal de PLC een ingangssignaal tussen 0 en 5 V
aanzien als een logisch 0, en pas vanaf een drempelwaarde van bv 13V een logisch
1 genereren.
- galvanische scheiding. Ingangen zijn galvanisch gescheiden van de centrale
verwerkingseenheid, zodat uitwendige fouten geen invloed hebben op het
processorgedeelte. Dit is een optische koppeling mbv een opto-coupler. Hierbij
wordt het ingangssignaal omgezet in een optisch signaal (licht) en vervolgens
terug naar een elektrisch signaal.
KHLim dep IWT MeRa 12/141

Inleiding in de PLC Siemens S7
- LED indicatie: Op de ingangskaart wordt voor iedere ingang zichtbaar een LED
gemonteerd zodoende dat de toestand van een ingang zeer makkelijk te controleren
is. Hierbij moet men wel rekening houden met het arbeids- of ruststroomprincipe
(*)
- Voeding: meestal 24C VC
(*)
Arbeidsstroomprincipe: als de sensor of schakelaar bediend is zal er een stroom
vloeien naar de ingangskaart. Voorbeeld hiervan is een startknop
Ruststroomprincipe: als de sensor of schakelaar niet bediend is zal er een stroom
vloeien naar de ingangskaart. Dit wordt gebruikt bij stopsignalen bv een stopknop,
eindeloop contact. Dit verhoogt de veiligheid aangezien een draadbreuk wordt aanzien
als een stopcommando.
Soorten ingangskaarten:
- digitale ingangskaarten zowel op DC (24V) als op AC (24, 42, 110, 230V)
verkrijgbaar. De AC versie wordt tegenwoordig bijna niet meer toegepast.
- Analoge ingangskaarten:
o spanningsgestuurde 0-10V / -10 – 10V (zeer gevoelig voor storingen,
vooral bij gebruik van lange aansluitdraden)
o stroomgestuurde 0-20mA / 4 – 20mA (minder storingsgevoelig)
- snelle tellerkaarten: kunnen ingangssignalen met zeer hoge frequentie verwerken.
De duurtijd of intervaltijd van de pulsen mag kleiner zijn dan de cyclustijd van de
centrale verwerkingseenheid. De tellerfrequentie kan zelfs tot 750 kHz bedragen.
- positioneringsmodules: voor positionering van bv transportbanden
- interrupt ingangen: bij signaalverandering wordt de cyclische
programmaverwerking onderbroken en overgeschakeld naar een interruptroutine,
waarna de cyclische verwerking wordt verdergezet.
- …
KHLim dep IWT MeRa 13/141

Inleiding in de PLC Siemens S7
3.3.2 uitgangseenheden
De resultaten van de uitvoering van het gebruikersprogramma, opgeslagen in de PIQ,worden
aan de machine doorgegeven mbv de uitgangskaarten.
Deze kaarten bestaan uit:
- galvanische scheiding
- LED indicatie
Soorten uitgangskaarten:
- digitale uitgangskaarten: hierin kunnen we enkele types onderscheiden
o Relaisuitgang: toepasbaar voor zowel gelijk als wisselspanning, nadeel:
traag (lage schakelfrequentie) en onderhevig aan slijtage. Voordeel: bij
kaarten met potentiaal vrije contacten kunnen toestellen met verschillende
spanning worden aangesloten aan 1 kaart, tevens is de max toegelaten
stroom vrij groot (van 100mA tot 3A)
o transistoruitgang: enkel toepasbaar voor gelijkspanning. Is sneller en niet
onderhevig aan slijtage maar kan enkel voor 24V DC
o solide-state uitgang. Een solid state relais ( SSR ) is een interface tussen het
besturingscircuit en vermogencircuit. Er zijn geen bewegende onderdelen
Dit type uitgang is zeer snel, geschikt voor AC, niet onderhevig aan slijtage
maar is zeer duur en een foutieve aansluiting kan leiden tot een blijvend
defect.
- analoge uitgangskaarten (0-10V / -10 – 10V / 0-20mA / 4- 20mA)
Keuze van in - en uitgangseenheden
Bij de keuze van een in- en/of uitgangskaart houden we rekening met volgende
eigenschappen:
- aantal in/uitgangen (kaarten van 8 /16 of 32 DI / DO)
- aansluitspanning (AC / DC)
- stoorgevoeligheid (spanning / stroomsturing bij analoog)
- analoog / digitaal
- snelheid van ingangssignaal (standaard of snelle tellerkaart)
- dient de ingang het programma te onderbreken of niet? (interrupt)
SM 321 (16DI) SM 322 (16DO)
Digitale in – en uitgangsmodule voor S7 – 300
KHLim dep IWT MeRa 14/141

Inleiding in de PLC Siemens S7
3.4 Geheugens
Geheugens kunnen we op verschillende manieren indelen:
- Leesgeheugens: deze geheugens kunnen enkel gelezen worden
- Lees- en schrijfgeheugens: deze geheugens kunnen zowel gelezen als geschreven
worden.
Verder kunnen we ook een onderscheid maken als volgt:
- remanent of niet-vluchtig: de inhoud van het geheugen blijft behouden bij
spanningsuitval.
- niet-remanent of vluchtig: de inhoud van het geheugen blijft niet behouden bij
spanningsuitval
De types geheugen die er bestaan zijn:
- RAM: Random Access Memory : Lees- en schrijfgeheugen met vluchtig karakter.
Meestal wordt een buffer batterij voorzien om de gegevens niet te verliezen bij
spanningsstoring.
- ROM: Read Only Memory: Leesgeheugen. Kan niet geprogrammeerd worden.
Deze geheugens worden door de fabrikant reeds voorzien van de nodige inhoud.
- PROM: Programmable Read Only Memory. Dit is een ROM geheugen dat door de
gebruiker 1 keer kan geprogrammeerd worden mbv een PROM –
programmeertoestel. Na programmatie is het enkel een leesgeheugen.
- EPROM: Erasable Programmable Read Only Memory. Een PROM die o.i.v. UV
licht kan gewist worden waarna programmatie weer mogelijk is. Dit proces kan
men 10 tot 100 keer herhalen.
EPROM – chip
- EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read Only Memory. EPROM die
mbv spanningspulsen kan geschreven en ook weer gewist worden.
- SD of MC : memory card. Gegevens kunnen gelezen en geschreven worden.
KHLim dep IWT MeRa 15/141

Inleiding in de PLC Siemens S7
Geheugens gebruikt in de CPU:
- Work memory: geheugengebied dat gebruikt wordt voor de verwerking van het
programma (RAM)
- Load memory: geheugengebied voor de opslag van het programma.
(RAM/EEPROM/SD)
- System memory: geheugengebied met het systeem programma (ROM)
Oudere PLC’s zijn voorzien van een ingebouwde EEPROM voor de opslag van het
programma of er is een EEPROM slot om een EEPROM card in te pluggen. Het opslaan van
het programma op EEPROM heeft als voordeel dat we geen bufferbatterij meer nodig hebben
om het programma te behouden bij spanningsuitval. Het wissen van deze EEPROM is echter
nogal omslachtig zodat enkel programma’s die reeds uitvoerig getest zijn, worden opgeslagen
op EEPROM. Tijdens de testperiode wordt echter enkel het RAM geheugen gebruikt zodat
het programma indien nodig snel kan worden aangepast. Na de testperiode wordt het
definitieve programma opgeslagen in het EEPROM geheugen. Bij spanningsuitval en
afwezigheid van een buffer batterij, zal de CPU automatisch het programma van EEPROM
kopiëren naar RAM. Deze EEPROM is echter niet noodzakelijk voor de goede werking van
de PLC. De CPU is voorzien van een systeemgeheugen en een RAM geheugen. Indien een
bufferbatterij aanwezig is, is deze EEPROM dus niet noodzakelijk.
De nieuwere PLC’s worden voorzien van een SD slot. De gebruiker kan zelf een kleine of
grotere SD kaart plaatsen. Op deze kaart kan dan naast het programma ook extra gegevens
worden opgeslagen zoals symbolen, commentaar, Word documenten, …
Let er wel op dat deze PLC’s niet kunnen functioneren zonder deze SD kaart. De CPU’s zijn
enkel voorzien van een systeemgeheugen en geen laadgeheugen. Hiervoor wordt de SD kaart
gebruikt. De PLC is niet meer voorzien van een bufferbatterij.
3.5 Voeding
De voeding zal de netspanning omzetten in een gelijkspanning van 24V. Er zijn verschillende
voedingen van verschillende grootte : 2 / 5 en 10A.
De keuze is afhankelijk van het aantal in- en uitgangskaarten. Soms wordt ook een aparte
voeding voorzien voor de uitgangskaarten, dit om zo veel mogelijk storingen te vermijden.
Voedingseenheid PS 307 ( Siemens )
KHLim dep IWT MeRa 16/141