07.10.2020

PLC-Lab ermöglicht den Test von SPS-Programmen für Siemens-Step7- sowie Codesys-V3-Steuerungen

Der vereinfachte digitale Zwilling zum Test

Dass es von großem Vorteil ist, SPS-Programme vorab an einer virtuellen Anlage zu testen, ist unbestritten. Dabei sollte sich der Entwicklungsaufwand zum Erstellen eines digitalen Zwillings in einem überschaubaren Kosten- und Zeitrahmen bewegen. Es kann sinnvoll sein, einen exakten digitalen Zwilling zum Test eines SPS-Programms zu erstellen. Meist genügt aber auch die Abstraktion einer Anlage, um den Funktionstest hinreichend genau durchführen zu können. Hier setzt die Prozess-Simulation PLC-Lab an.


Was ist PLC-Lab?

Bilden eines Körpers
Bild: MHJ-Software GmbH & Co. KG

PLC-Lab ist eine moderne 2D-Prozess-Simulation, mit der man virtuelle Anlagen zum Test von SPS-Programmen für Steuerungen der Siemens S7-Reihen (S7-300/400, S7-1200/1500) und Codesys V3-Steuerungen erstellen kann. Des Weiteren können beliebige programmierbare Geräte angebunden werden, die über eine OPC UA Schnittstelle verfügen. Der Baukasten von PLC-Lab bietet eine große Vielfalt und umfangreiche Gestaltungsmöglichkeiten, was die Simulation von vielen unterschiedlichen Anlagentypen ermöglicht. Aus verschiedenen geometrischen Formen können beliebige Körper gebaut und mit zahlreichen Gelenk-Objekten verbunden bzw. dynamisiert werden. Mit Hilfe von Physikeigenschaften, wie z.B. Schwerkraft, Magnetismus, Oberflächenreibung oder Elastizität, ist eine realitätsnahe Simulation möglich. Flexibel skalierbare Sensordaten aus der virtuellen Anlage komplettieren dabei die Möglichkeiten des Tests.

PLC-Lab und der Test von Siemens SPS-Programmen

Soll ein SPS-Programm der Siemens-Steuerungen S7-300/400 oder S7-1200/1500 an einer virtuellen Anlage von PLC-Lab überprüft werden, dann kann sich das SPS-Programm in einer der PLCSIM-Varianten des TIA Portals (ab V13) oder dem Simatic-Manager (ab V5.5) befinden. Wichtig dabei ist: PLC-Lab arbeitet direkt mit den PLCSIM-Versionen zusammen, die im TIA Portal enthalten sind. Es wird nicht das zusätzlich zum TIA Portal zu erwerbende PLCSIM-Advanced (Listenpreis ca. 2.800 EUR) benötigt. Aber auch für PLCSIM-Advanced ist eine Schnittstelle in PLC-Lab vorhanden. Das SPS-Programm kann sich auch in einer realen SPS befinden. PLC-Lab hat ebenso die Schnittstellen zu den CPUs der Reihen S7-300/400 sowie S7-1200/1500 integriert.

PLC-Lab und der Test von Codesys V3 SPS-Programmen

Für die Codesys V3-basierten Steuerungen ist in PLC-Lab eine OPC UA-Schnittstelle vorhanden. Darüber können die Codesys V3-SoftSPSen (z.B. Codesys Control Win V3) oder auch die verschiedenen Hardware-SPSen von WAGO, Schneider Electric, Beckhoff usw. angesprochen werden.

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Wie werden die virtuellen Anlagen in PLC-Lab erstellt?

Im Baukasten von PLC-Lab sind bereits zahlreiche Objekte vorhanden, die direkt auf der Zeichenfläche platziert und anschließend mit den Operanden der SPS verknüpft werden können. Im einfachsten Fall ist dies ein Schalter-Objekt, der als Öffner oder Schließer konfiguriert wird und dem man einen Operanden der SPS zuweist. Im Baukasten befinden sich unter anderem folgende Objektarten:

  • • Schalter: In dieser Rubrik findet man Schalter mit und ohne Leuchteinsatz, Drehschalter, horizontale Schalter u.v.a.m..
  • • Lampen: Neben Leuchtmeldern in verschiedenen Farben können LEDs (rund oder rechteckig) oder auch Signal-Säulen ausgewählt und konfiguriert werden.
  • • Endschalter: Jedes physikalische Objekt in PLC-Lab kann als Endschalter verwendet werden. Mit Hilfe von sog. Kollisionsgruppen sind unter anderem induktive, kapazitive oder auch Farbsensoren realisierbar.
  • • Zylinder: In dieser Rubrik sind unter anderem Zylinder mit Federrückstellung, ohne Feststelleinheit oder mit Feststelleinheit zu finden. Die Zylinder verfügen über zahlreiche integrierte Sensoren zum Erfassen der Endlagen oder der genauen Position der Kolbenstange.
  • • Förderelemente: Mit diesen Elementen können Förderbänder in der Seitenansicht oder aus der Vogelperspektive realisiert werden. Ebenso sind Luftströme zum Abblasen von Spänen oder dem Ablenken von Objekten damit möglich.
  • • Flüssigkeitsbehälter: Der Flüssigkeitsbehälter verfügt über zahlreiche Zu- und Abflüsse, welche sowohl über binäre als auch über analoge Signale ansteuerbar sind. Mit Hilfe der integrierten Sensoren kann man den Füllstand binär oder analog erfassen.
  • • Verbindungselemente bzw. Gelenke: Hier finden sich Gelenke und Verbindungen um beispielsweise lineare Bewegungen, Drehbewegungen, Stangenverbindungen, Schweißverbindungen, Radverbindungen oder Verbindungen zu einem Körper umzusetzen. Die dynamischen Verbindungen für die Linear- bzw. die Drehbewegung besitzen integrierte Sensoren, um die Position und Geschwindigkeit des bewegten Objekts auszuwerten. Ebenso kann die Geschwindigkeit binär oder analog vorgegeben werden.
  • • Anzeige-Objekte: Möchte man Werte von Operanden anzeigen, dann stehen in dieser Rubrik Text-Objekte, Tacho-Anzeigen, digitale Anzeigen usw. zur Verfügung.
  • • Eingabe-Objekte: Mit den Schiebereglern und Ziffernstellern können Operanden direkt mit Werten beaufschlagt werden.

Was macht PLC-Lab so vielseitig?

In der obigen Aufzählung der in PLC-Lab vorhandenen Objektarten fehlen unter anderem die geometrischen Formen. Diese Rechtecke, Ellipsen und Dreiecke sind die Grundbausteine der virtuellen Anlagen. Diese können als Physik-Objekte oder als Dekorations-Objekte ohne physikalische Eigenschaften ausgelegt sein. Mit den Physik-Objekten können beliebige Körper gebildet werden.

Möchte man beispielsweise eine Mulde in der virtuellen Anlage verwenden, dann kann man diese mit Hilfe von drei Rechtecken zusammenstellen (Pkt. 1). Dabei werden diese in der gewünschten Form angeordnet (Pkt. 2) und anschließend eine sog. Körpergruppe gebildet (Pkt. 3).

Diese Mulde kann nun kippbar auf einen Zylinder montiert werden. Dabei kommt ein Drehgelenk als Verbindung zwischen der Kolbenstange des Zylinders und der Mulde zum Einsatz.

Beim Start der Simulation bewegt der Zylinder die Mulde in der Vertikalen. Das Drehgelenk wurde so konfiguriert, dass ein Kippvorgang nach rechts um max. 45° möglich ist. Diese Bewegungen können von SPS-Operanden (also beispielsweise Ausgängen) abhängig gemacht werden. Im folgenden Bild ist eine solche Situation zu sehen, das Schüttgut wird dabei mit Hilfe von Ellipsen-Objekten dargestellt.

Auf diese Weise können beliebige Körperformen realisiert und anschließend in der virtuellen Anlage dynamisiert werden. Einen so erzeugten Körper kann man linear bewegen, rotieren oder von Förderelementen befördern lassen.

Die physikalischen Eigenschaften der Einzelteile eines Körpers sind weiterhin veränderbar. So können beispielsweise einzelne Teile eines Körpers magnetisch sein und andere nicht. Ebenso kann die Dichte und somit das Gewicht einzelner Elemente eines Körpers erhöht werden, um z.B. eine Unwucht bei Drehbewegungen zu erzeugen.

Regelungen mit PLC-Lab simulieren

Mit Hilfe des Flüssigkeitsbehälters sind Füllstandsregelungen simulierbar. Der Zulauf und der Abfluss des Behälters können analog vorgegeben werden. Die Auswertung des aktuellen Füllstands ist ebenso analog möglich. Auch die Positionierung von Linear- und Rotationsbewegungen sind in PLC-Lab realisierbar. Die Geschwindigkeiten können analog vorgegeben werden, die aktuelle Position wird digital geliefert. Damit die Sensorsignale der virtuellen Anlage mit den Signalen der realen Anlage identisch sind, besteht in PLC-Lab die Möglichkeit, die Sensorsignale zu skalieren.

Beispiel

In der virtuellen Anlage wurde eine lineare Bewegung mit einer Länge von 500 Pixeln erstellt. Der Positionssensor liefert somit einen Wert von 0 bis 500. In der realen Anlage werden aber Werte im Bereich von 0 bis 2.000 geliefert. In PLC-Lab kann nun der Wert des Positionssensors skaliert werden. Dazu gibt man einfach am Operanden der Positionssensors zusätzlich den Skalierungsbereich '0-2000' an. Diese Angabe bewirkt, dass die 0 bis 500 Pixel auf den Bereich 0 bis 2.000 skaliert werden.

Automatische Positionierungen mit PLC-Lab simulieren

Sind in einer Anlage Antriebe verbaut, die eine Positionierung automatisch durchführen, dann ist dies auch in der virtuellen Anlage von PLC-Lab realisierbar. In PLC-Lab kann die automatische Positionierung sowohl bei linearen Bewegungen als auch bei Rotationsbewegungen aktiviert werden. Dabei kann man selektieren, ob die Positionierung absolut oder relativ zu erfolgen hat.

Wie verbindet man die virtuelle Anlage in PLC-Lab mit der SPS?

Möchte man eine virtuelle Anlage zum Test eines SPS-Programms für eine S7-1500 von Siemens verwenden, dann kann das SPS-Programm zunächst im PLCSIM der S7-1500 des TIA Portals bearbeitet werden. Wurde das Projekt im TIA Portal begonnen, dann können die PLC-Variablen des TIA-Projekts in PLC-Lab importiert und verwendet werden. Im Beispiel weist man die Symbole und Operanden zunächst dem Device PLCSim in PLC-Lab zu und verdrahtet diese mit den Sensoren bzw. Aktoren der virtuellen Anlage. Beim Start der Simulation baut PLC-Lab eine Verbindung zu PLCSIM auf, schreibt die Eingänge der virtuellen Anlage und liest die Ausgänge zum Steuern der Aktoren. Möchte man anschließend die virtuelle Anlage für den Test an einer realen CPU S7-1500 verwenden, dann wird zunächst ein neues Device vom Typ S7-1500 in PLC-Lab angelegt und dort die entsprechenden Kommunikationsparameter eingetragen. Danach werden die Operanden bzw. Symbole von PLCSIM zu diesem neuen Device umverdrahtet. Nun baut PLC-Lab beim Start der Simulation eine Verbindung zur realen S7-1500 auf und tauscht mit dieser die Daten der virtuellen Anlage aus. Ähnlich geht man auch beim Einsatz der anderen SPS-Systeme vor. Durch das Umverdrahten kann eine virtuelle Anlage von PLC-Lab ebenso für den Test mit einer anderen SPS-Familie verwendet werden.

Fazit

Mit PLC-Lab erstellt man sich im PowerPoint-Stil virtuelle Anlagen bzw. Testumgebungen für den SPS-Programmtest. Die Fortschaltbedingungen werden dabei von der virtuellen Anlage selbst herbeigeführt, was auch den Test von größeren Anlagen ermöglicht. Das Bilden beliebiger Körper aus geometrischen Objekten, die umfangreichen binären und digitalen Sensoren der Gelenke und Verbindungen, sowie der Möglichkeit, Sensorsignale zu skalieren, macht PLC-Lab vielseitig beim Erstellen der virtuellen Anlagen. Der Aufwand für den Aufbau einer virtuellen Testumgebung ist verhältnismäßig gering und der Entwickler kann selbst bestimmen, welchen Abstraktionsgrad er bei der Realisierung erreichen möchte. Da PLC-Lab auch mit den PLCSIM-Varianten des TIA Portals zusammenarbeitet, ist das PLCSIM-Advanced für die Simulation der S7-1500 nicht notwendig. Bei Vorhandensein kann das PLCSIM-Advanced aber auch mit PLC-Lab verwendet werden. Eine kostenlose, voll funktionsfähige 30-Tage-Testversion kann unter www.mhj.de angefordert werden.

Interessierte Leser können sich zu einem kostenlosen PLC-Lab Online-Seminar (verfügbar bis 18.12.2020) unter www.mhj.de anmelden

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