Siemens PCS7 projektin ohjelmalohkojen generointi IEA työkalulla

Insinööriopiskelija Janne Keskimölö toteutti laajojen automaatiojärjestelmien konfigurointiin liittyvän opinnäytetyön, jossa käsiteltiin Siemensin PCS7-automaatiojärjestelmän IAE-työkalua. Projektin toteuttaja oli PCS Engineering Oy, jonka toimialoihin kuuluvat muun muassa automaatiosuunnittelu ja automaatiourakointi.

Opinnäytetyössä luotiin yksityiskohtainen työohje Siemensin PCS7-järjestelmän IEA-työkalun käyttämisestä. Aluksi työssä tutustuttiin hajautettujen ohjausjärjestelmien (DCS) eri osiin, rakenteeseen ja niiden käyttämiin kommunikointimenetelmiin. DCS-järjestelmän perusteiden läpikäynnin jälkeen tutustuttiin PCS7-järjestelmän ohjelmistoon. Eri sovelluksien käyttötarkoitukset käytiin yleisellä tasolla läpi, mutta Import/Export Tool -työkalun käyttämisessä mentiin pintaa syvemmälle. Työssä käytettiin esimerkkinä oikean automaatiojärjestelmän päivitysprojektin ohjelmalohkojen generointia.

Isojen tehtaiden ja laitoksien prosessit sisältävät suuria määriä erilaisia mittaus- ja säätöpiirejä, jotka voivat sijaita laajalla alueella. Näiden hallinnoimiseen ei riitä välttämättä enää yksi prosessori tai logiikkaohjain, vaan järkevämmäksi tulee toiminnaltaan redundanttisen hajautetun ohjausjärjestelmän valitseminen.

Hajautettu ohjausjärjestelmä koostuu autonomisista prosessiasemista, jotka on usein sijoitettu lähelle kenttälaitteita, jotta kaapeloinnit säilyisivät suhteellisen lyhyinä. Prosessiasemien rinnalla voi olla muita asemia, joille on määriteltynä omat käyttötarkoituksensa (kuva 1). KUVA 1. Hajautetun ohjausjärjestelmän rakenne

Automaatioasemat keräävät informaatiota prosessista ja suorittavat prosessin vaatimia ohjauksia. Valvomoasemat toimivat käyttäjän ja automaatiolaitteiston välisenä rajapintana, ja niiden avulla prosessia seurataan ja ohjataan. Ne ovat automaatiolaitteistojen hierarkkisessa rakenteessa client-laitteina. Informaatiota kerätään, säilytetään ja jaetaan serveriasemien kautta, jotka toimivat valvomoiden ja automaatioasemien välikätenä. Kenttälaitteet ovat yhteydessä prosessiasemaan IO-moduulien kautta, joita on käyttötarkoituksen mukaan tarjolla useita erilaisia tyyppejä. Järjestelmän konfigurointi ja muutokset määritellään ohjelmointitietokoneella, jonne järjestelmän suunnitteluohjelmisto on asennettuna.

Siemens PCS7 on prosessiteollisuudessa laajasti tunnettu hajautettu ohjausjärjestelmä. Se käyttää Siemensin modulaarisia S7-400-sarjan logiikkaohjaimia, ja PCS7 tukee yleisimpiä kommunikointiprotokollia, kuten Profinet-, Profibus- ja Foundation Fieldbus -protokollia (Siemens AG 2017).

PCS7:n ohjelmiston käyttämisessä olennaisin työkalu on Simatic Manager, jonka kautta kaikki konfigurointityökalut voidaan avata. Simatic Manager sisältää projektihakemiston, jonka kautta löytyvät projektin laitteistokomponentit, ohjelmalohkot ja muut yksittäiset parametrit. Hakemistoa voidaan selata usean eri näkymän kautta, jotka suodattavat ja järjestelevät näkyvissä olevia objekteja.

Laajoissa automaatiototeutuksissa erilaisia mitta- ja säätöpiirejä voi olla jopa tuhansia. Piirien lisääminen ohjelmaan yksitellen olisi työlästä, joten järkevämpää on käyttää Siemens PCS7:n IEA-työkalua. Samankaltaisille piireille, esimerkiksi mittauksille, luodaan pohjana käytettävä tyyppipiiri, joka sisältää kaikki toiminnan kannalta olennaiset määritykset. Piirien yksilölliset parametrit kerätään yhteen IEA-tiedostoon, jonka perusteella piirien generointi tyyppipiiristä suoritetaan. IEA-työkalua käyttämällä säästetään huomattavasti aikaa, jota voidaan käyttää projektin muuhun sovellussuunnitteluun.

Projektissa oli yhteensä satoja mittaus-, säätöventtiili- ja moottorinohjauspiirejä, jotka täytyi lisätä ohjelmaan. Työohjeessa käytettiin esimerkkeinä projektin kaikkien prosessialueiden on-off-venttiileitä, joiden lähtötiedot kerättiin IEA-tiedostoon.

Ensimmäisessä työvaiheessa tyyppipiiristä luotiin Process Tag Type, johon valittiin IEA-tiedostoon muokattavaksi tulevat toimilohkojen I/O-pisteet. Kun Process Tag Type oli määritettynä, voitiin siitä luoda IEA-tiedosto, jota muokattiin Microsoft Excelissä tai Siemensin IEA File Editor -ohjelmassa. IEA-tiedoston sisältö on muokattavissa taulukossa, jonka rivit vastaavat generoitavia piirejä ja sarakkeet toimilohkojen I/O-pisteitä ja muita parametreja (kuva 2). Taulukko täytettiin projektin onoff-venttiilien lähtötietojen mukaisesti ja sen jälkeen tiedosto importoitiin takaisin projektiin.

KUVA 2. IEA-tiedoston näkymä projektin on-offventtiilien lähtötiedoilla

Jos IEA-tiedosto on täysin oikein täytetty eikä muita ongelmia ilmene, generoinnin pitäisi onnistua nopeasti. Aina näin ei kuitenkaan ole, vaan pieniä korjauksia voidaan joutua suorittamaan, jotta generointi onnistuisi. Ongelmia voi tulla IEA-tiedoston ja tietokoneen käyttämissä listaerotusmerkeissä, jotka erottelevat rivien tekstijonot yksittäisiksi soluiksi. Listaerotusmerkin voi vaihtaa Windowsin Regional-asetuksista tai manuaalisesti Excelin Find and Replace -työkalulla. Toisena ongelmana saattaa ilmetä väärä desimaalierotin, joka voidaan päivittää samojen asetuksien avulla kuin listaerotusmerkkikin.

Suurissa projekteissa erilaisia piirejä on huomattavia määriä eikä niitä kannatta lisätä yksitellen ohjelmaan. Siemens PCS7 -järjestelmän IEA-työkalu on tähän hyvin hyödyllinen työväline, ja uskon, että sille löytyy käyttöä vielä pitkälle tulevaisuudessakin.

Jossakin vaiheessa IEA-työkalu tulee kuitenkin jäämään PCS7:n uudemman Control Module massaohjelmointityökalun varjoon. Sen toimintamenetelmä on samankaltainen kuin IEA-työkalussa, mutta Control Module -ohjelman etuina ovat kehittyneemmät ja monipuolisemmat ominaisuudet. Monissa automaatioprojekteissa suositaan nykyään vielä IEA-työkalua, koska Control Module on hyvin uusi ominaisuus. Kumpikin generointityökalu vaatii lisäksi omat lisenssit, jotka eivät ole ilmaisia. Kaikki asiakkaat tai alan toimijat eivät välttämättä ole heti ostamassa lähes tuntematonta työkalua. Tästä syystä uskon, että IEA-työkalu säilyy tuttuna ja turvallisena vaihtoehtona vielä kauan aikaa.

Keskimölö, Janne 2020. Siemens PCS 7 -projektin ohjelmalohkojen generointi IEA-työkalulla. Oulun ammattikorkeakoulu. Automaatiotekniikan tutkinto-ohjelma. Hakupäivä 9.12.2020. https://www.theseus.fi/handle/10024/352502.

Siemens AG 2017. Catalog. SIMATIC PCS 7 Process Control System. Hakupäivä 25.9.2020. https://www.automation.siemens.com/w2/efiles/pcs7/pdf/76/KG_STPCS7_2017V_en_Web.pdf.