Dezvoltarea HMI-urilor in SCADA

Dezvoltarea HMI-urilor in SCADA - TIA Portal

Obiective

Prezentarea limbajului de programare, mod de utilizare, particularitati

Prezentarea modului de realizarea a functiilor

Prezentarea instructiunilor decizionale, repetitive si realizarea de aplicatii cu aceste instructiuni

Prezentarea si exemplificarea facilitatilor de programarea in realizarea aplicatiilor SCADA

Organizarea sarcinilor de lucru

Parcurgeti cele trei capitole ale cursului.

In cadrul fiecarui capitol urmariti exemplele ilustrative si incercati sa le realizati in medul de dezvoltare SCADA TIA Portal.

Fixati principalele idei ale cursului, prezentate în rezumat.

    Aplicatiile SCADA simple se pot crea in principiu fara a utiliza notiuni de programare. Aplicatiile mai complexe nu pot fi realizate decat utilizand facilitatile oferite de un limbaj de programare.
    Mediul de dezvoltare SCADA TIA-Portal, include limbajul de programare Visual Basic, respectiv VBscript (Script-uri Visual Basic) permitand astfel controlul software a elementelor plasate pe HMI-uri (Human Machine Interface).
    Vom dezvolta in continuare proiectul numit Prg_hmi_000 in cadrul caruia vom realiza diverse screen-uri in care vom folosi facilitatile de programare Visual Basic.

1.Elemente de programare VBasic

    Definirea variabilelor

    In VB Script pot fi definite si utilizate variabile. Definirea unui variabile se face prin simpla decalarare a acesteia si anume:
      Dim nume_variabila
    Exemplu:
      Dim contor
    In VB Script variabilele sunt slab tipizate deci nu trebuie definit tipul.
    O alta metoda pentru definirea unuei variabile se realizeaza prin definirea unui "Tag"

    Definirea functiilor

    Pot fi definite diverse functii Visual Basic numite "VB script", avand urmatorul format:
    Sub nume_script()
      declaratii
      .
      .
      .
      declaratii
    End Sub

    Obiectele plasate pe HMI-uri dispun de diverse evenimente, care permit lansarea script-urilor "VB script".

    Definirea tablourilor

    In VB Script pot fi definite si utilizate tablouri. Definirea unui tablou se face prin simpla decalarare a acestuia si anume:
      Dim nume_tablou(nr_elemente)
    Exemplu:
      Dim valori(100)
    O alta metoda pentru definirea unui tablou se realizeaza prin definirea unui "Tag" de tip "Array"

S-a definit astfel Tabloul "Matr_l" cu 11 elemente de tip Bool-ean

2. Instructiuni

    Instructiunea if :

    Instructiunea if se foloseste pentru a selecta executia unei instructiuni (sau a unui grup de instructiuni) functie de valoarea logica a unei expresii relationale

    Formatul instructiunii:
    Instructiunea if are urmatoarele formate:

    If expresie relationala Then
      instructiune(instructiuni)
    End

    sau

    If expresie relationala Then
      instructiune(instructiuni)
    Else
      instructiune(instructiuni)
    End

Aplicatii care utilizarea instructiuni decizionale

    Vom crea in cadrul proiectului "Prg_hmi_000" un nou screen numit "Instr_if" in care vom semnaliza atingerea unui parag inferior respectiv a unui prag superior al unui parametru folosind doua LED-uri.

    Avem nevoie de tag-urile:

     - "Temperatura" - pentru simularea temperaturii
     - "Led_1"- pentru a semnaliza depasirea temperaturii peste 100 de grade
     - "Led_2"- pentru a semnaliza scaderea temperaturii sub 0 de grade

    Vom realiza script-ul "Semnaliz_temp()":

Sub Semnaliz_temp()
	If Temperatura>100 Then
		Led_1=True
	Else
		Led_1=False
	End If

	If Temperatura<0 Then
		Led_2=True
	Else
		Led_2=False
	End If
End Sub

Vom atribui acest script evenimentului "Change" al obiectuli "Slider_1" care seteaza valoarea temperaturii.

    Instructiunea for :

    For contor=contor_start To contor_stop
      declaratii
      .
      .
      .
      declaratii
    Next

    Vom adauga screen-ul "Instr_for" in care vom folosi instructiunea For pentru a converti un numar intreg in binar pe 10 biti si vom afisa rezultatul pe 10 LED-uri.

Informatiile despre cele 10 LED-uri vor fi pastrate in Tag-ul "Matr_l".

Vom seta proprietatea Animations --> Apperance pentru fiecare LED astfel:

Contolul de tip I/O field are setat tag-ul "Contor", iar pe evenimentul "Input Finished" s-a atribuit functia "Conv_binar"

Sub Conv_binar()
	Dim j,nr
	nr=Contor
	For j=0 To 9
		If (nr Mod 2)= 0 Then
			Matr_l(9-j)= False
		Else
			Matr_l(9-j)= True
		End If
		nr=Int(nr/2)
	Next
End Sub

Pe evenimentul "Click" al obiectului de tip Button s-a atribuit functia "Ld_Rnd"
Daca se apasa pe butonul "Aleator" se vor aprinde aleatorcele 10 LED-uri.

Sub Ld_Rnd()
Dim i,r
	For i=0 To 10
		r=Rnd(2)
		If r > 0.5 Then
			Matr_l(i)= True
		Else
			Matr_l(i)= False
		End If
	Next
End Sub

    Instructiunea do while :

    Do While expresie relationala
      declaratii
      .
      .
      .
      declaratii
    Loop

    Vom adauga screen-ul "Instr_do_while" in care vom folosi instructiunea Do While pentru a incrementa de zece ori temperatura cu cate 10 grade la interval de o secunda. Daca se trece de temperatura maxima adica 100 de grade, temperatura va fi initializata cu o valoare Random de maxim 50 de grade. Pentru a incrementa temperatura de 10 ori, avem nevoie de tag-ul Contor. Vom afisa evolutia in timp a temperaturii folosind un obiect "Trend_view".
    Pentru declansarea incrementarii temperaturii, vom plasa un buton "Start", pe a carui eveniment "Click", plasam functia "Incr_temp().

Sub Incr_temp()
	Dim v_s
	Contor=0
	v_s=Second(Now())
	Do While Contor < 10 
		If v_s <> Second(Now()) Then
			Contor=Contor+1
			Temperatura=Temperatura+10
			If Temperatura>100 Then
				Temperatura=50*Rnd()
			End If
			v_s=Second(Now())
		End If
	Loop
End Sub

    Dupa cum se observa in functia Incr_temp(), pentru a incrementa temperatura la fiecare secunda, s-a utilizat functia Second(Now()) care ne furnizeaza valoarea numerica a secundelor din ora sistem data de functia Now().

    Instructiunea do until :

    Do Until expresie relationala
      declaratii
      .
      .
      .
      declaratii
    Loop

    Vom adauga screen-ul "Instr_do_until" in care vom folosi instructiunea Do Until pentru a da temperaturii o variatie sinusoidala. Vor fi generate 250 de valori la un interval de 0.1 secunde. Tag-ul Contor va fi incrementat la fiecare 0.1 secune.
     Vom afisa evolutia in timp a temperaturii folosind un obiect "Trend_view".
     Pentru declansarea modificarea temperaturii, vom plasa un buton, pe a carui eveniment "Click", plasam functia "Sin_temp().

Sub Sin_temp()
	Dim v_s,tm
	Contor=0
	v_s=Second(Now())
	tm=Timer()
	Do Until Contor >= 250
		If Timer > tm+0.10 Then
			Contor=Contor+1
			Temperatura=50*(1+Sin(Contor/20))
			tm=Timer()
		End If	
	Loop
End Sub

Dupa cum se observa in functia Sin_temp(), pentru a modifica temperatura la fiecare zecime de secunda, s-a utilizat functia Timer() care ne furnizeaza valoarea numerica a timpului trecut incepiand de la ora 12.00 - am.

3. Diverse aplicatii

Realizarea screen-urilor cu continut dinamic

Urmatorul screen "Afis_dinamica", utilizeaza functia SimulateTag pemtru a realiza continut dinamic

Pe evenimentul "Loaded" al screen-ului "Afis_dinamica" se apeleaza functia SimulateTag astfel:

Se obtine astfel un tag care se incrementeaza automat la interval de 20 ms aproximativ. Acest tag va fi folosit pentru a declansa rularea diverselor script-ri. Vom plasa de exemplu un element "Slider" si ne vom folosi de evenimentul "Change" pentru a apela scripturile dorite.
Pentru a realiza diverse animatii se procedeaza astfel:

Se plaseaza un element "Slider" controlat de tag-ul "Contor"
Pe evenimentul "Change" al elementului "Slider", se apeleaza functia:"Incr_nivel" cu urmatorul continut:
Sub Incr_nivel() Nivel=Nivel+1 If Nivel>4 Then Nivel=1 End If End Sub
Tag-ul "Nivel" este un tag de tip "Int" si ia in acest caz valori intre 1-4. Acest tag va fi folosit pentru a realiza animatiile din screen-ul "Afis_dinamica".

Utilizarea tablourilor

Urmatorul screen "Utiliz_vector" utilizeaza un tag de tip vector in care se vor inscrie 100 de valori Rnd() dupa care afiseaza valorile din vector folosind un obiect "Trent view".

Functia "Vector_Rnd()" se lanseaza pe evenimentul "Loaded" al screen-ului:

Sub Vector_rnd()
	'Inscrierea vectorului "Valori" cu valori aleatoare
	Dim i
 	For i=0 To 100
			Valori(i) = 100*Rnd()
	Next
End Sub

Tot pe evenimentul "Loaded" al screen-ului instructiunea "Utiliz_vector" se lanseaza functia SimulateTag care se incrementeaza automat tag-ul "Contor" la un interval de 20 ms.
Pe evenimentul "Change" al elementului "Slider", se apeleaza functia:"Act_temp" cu urmatorul continut:

Sub Act_temp()
	'Actualizare temperatura
	Temperatura=Valori(Contor)
End Sub

    Obiectul "Trent view" are setat "Style" de tip "Bar", "Source setting: "Temperatura" si "Cyclic" la 0.2s deoarece si incrementarea tag-ul "Contor" si declansarea evenimentului "Change" se face tot la intervale de 0.2s

    Adresarea indirecta a tag-urilor

    Urmatorul screen "Indirect_tag" defineste o serie de Tag-uri care vor fi apelate iterativ dintr-un VB Script.
    Se prezinta un mod de adresare indirecta a Tag-urilor pentru cazurile in care avem mai multe Tag-uri de acelasi fel neputamd defini un Tag de tip "Array". In acest caz numele Tag-urilor va trebui sa fi dat astfel incat sa putem genera iterativ numele acestor Tag-uri in vederea aceesarii acestora. De exemplu vom defini Tag-urile Led_1...Led_10 de tip Bool-ean.

Plasam pe screen-ul "Indirect_tag" 10 LED-uri si setam proprietatea Animations --> Apperance --> Led_1 respectiv Led_10 pentru cele 10 LED-uri.
Plasam pe screen-ul "Indirect_tag" doua butoane.

La apasarea butonului "On" se lanseaza functia "Ind_tag_on()":

Sub Ind_tag_on()
	
	Dim i
	For i=1 To 10
		SmartTags("Led_"+CStr(i)) = True	
	Next

End Sub

La apasarea butonului "Off" se lanseaza functia "Ind_tag_off()":

Sub Ind_tag_off()

	Dim i
	For i=1 To 10
		SmartTags("Led_"+CStr(i)) = False	
	Next

End Sub

Accesarea din VB Scripts a obiectelor plasate pe screen

In urmatorul screen "Acces_elem", se acceseaza din diverse Script-uri obiectele plasate pe acest Screen.

Atribuim evenimentului "Change" al obiectului "Slider_1", script-ul "Acc_elem".

Sub Acc_elem()
	Dim dr,btn,sw,im
	Set dr = HmiRuntime.Screens("Acces_elem").ScreenItems("Rectangle_1")
	Set btn = HmiRuntime.Screens("Acces_elem").ScreenItems("Circle_1")
	Set sw = HmiRuntime.Screens("Acces_elem").ScreenItems("Switch_1")
	Set im = HmiRuntime.Screens("Acces_elem").ScreenItems("Symbol Library_1")
	dr.BackColor = RGB(255,255-2.4*Temperatura,0)
	dr.Height=1+3*Temperatura
	dr.Top=(300-3*Temperatura)+45
	sw.TextOff="Stins"
	sw.TextOn="Aprins"
	im.Left=265+3*Temperatura
	Set dr= Nothing
	Set btn= Nothing
	Set sw= Nothing
End Sub

Dupa cum se observa, se atribuie variabilelor dr, btn, sw, im obiectele: "Rectangle_1", "Circle_1", "Switch_1", "Symbol Library_1" dupa care se acceseaza din script metodele sau proprietatile acestor obiecte.
Pentu a realiza "Flesh" LED si imaginea plasata, se adauga Animatia si se seteaza optiunea "Flashing"

La apasarea butonului "Home" activeaza Screen-ul "Root screen" deoarece s-a atrinuit evenimentului al acestui buton functia predefinita "Activate screen"

Putem realiza propria noastra functie numita "Activ_screen" sub forma:
Plasam butonul "Instr_for" si atribuim functia "Activ_screen" evenimentului "Click"

Sub Activ_screen()
	ActivateScreen "Instr_for",0
End Sub

    Afisare histograma

    In urmatorul screen "Afis_histo" vrem sa afisam 20 de valori aleatoare pe o histograma (grafic sub forma de bare). Valorile vor fi pastrate in tag-ul "Valori" de tip Array ce contine 25 elemente de tip int.
    Plasam pe screen-ul "Afis_histo" 20 de dreptunghiuri: "Rectangle_1", "Rectangle_2... "Rectagle_20' de inaltime 250 care vor reprezenta barele histogramei. Vom modifica inaltimea fiecarui dreptungi din script-ul "Af_histo()" in functie de valorile stocate in tag-ul "Valori"
    Plasam pe screen-ul "Afis_histo" butonul "Start".

La apasarea butonului "Start" se lanseaza functia "Af_histo()":

Sub Af_histo()
	Dim dr,i
	For i=1 To 20 
		Set dr = HmiRuntime.Screens("Afis_histo").ScreenItems("Rectangle_"+CStr(i))
		Valori(i)=Int(250*Rnd())
		dr.Height=0
		dr.Top=(251-Valori(i))+40
		dr.Height=Valori(i)
		dr.BackColor = RGB(255,255-Valori(i),0)
		Set dr = Nothing
	Next
End Sub

    Dupa cum se observa, accesarea dreptunghiurilor se face iterativ prin adresare idirecta a obietelor de tip "Rectangle". Numele obiectului se construieste la fiecare iteratie. Inainte de setarea proprietatii "Top" a dreptunghiului curent, se seteaza proprietatea "Height" la 0 in caz contrar s-ar putea genera o eroare (pentru cazul in care vechea valoare "Height"+ noul "Top" iese din ecran), dupa care putem seta valoarea "Top", urmeaza "Height" si "BackColor"
    Pentru afisare repetitiva se foloseste functia SimulateTag

    Afisare ekg

     In urmatorul screen "Afis_ekg" simulam intr-un control de tip "trend view" un semnal ekg.
     Definim Tag-ul "Trend_ekg" tag care va fi utilizat pentru afisarea in controlul de tip "trend view".

Pe evenimentul "Loaded" al screen-ului "Afis_ekg" se lanseaza functia SimulateTag care se incrementeaza automat tag-ul "Contor" la un interval de 20 ms.
Pe evenimentul "Change" al elementului "Slider", se apeleaza functia:"Af_ekg()" cu urmatorul continut:

Sub Af_ekg()
	Dim i,x,n,tm,l,a,b
	Dim harm,qrs1,qrs2,qrswav,gr
	Set gr = HmiRuntime.Screens("Afis_ekg").ScreenItems("Trend view_1")
			x=Contor*0.0045
			l = 4	 				' li=4
            a = 1.6 				' a_qrswav=1.6
            b = (2 * l) /0.09 		' d_qrswav=0.09
            n = 100
            qrs1 = (a / (2 * b)) * (2 - b)
            qrs2 = 0.0
            For i = 1 To n
                harm = (((2 * b * a) / (i * i * 3.14 * 3.14)) * (1 - Cos((i * 3.14) / b))) * Cos((i * 3.14 * x) / l)
                qrs2 = qrs2 + harm
            Next
            qrswav = qrs1 + qrs2
            Trend_ekg = 55*(1+qrswav)
End Sub

Afisare Root screen

Vom cumula aplicatiile realizate pana acum si le vom plasa pe screen "Root screen".

Pe evenimentul "Loaded" al screen-ului instructiunea "Root screen" se lanseaza functia SimulateTag care se incrementeaza automat tag-ul "Contor" la un interval de 20 ms.
Pe evenimentul "Change" al elementului "Slider", se apeleaza functia:"Demo_root()" cu urmatorul continut:

Sub Demo_root()
	Dim dr, dr21,i,j,im,crc
	Set im = HmiRuntime.Screens("Root screen").ScreenItems("Symbol library_1")
	Set dr21 = HmiRuntime.Screens("Root screen").ScreenItems("Rectangle_21")
	
	'Valori aleatoare pentru 10 led-uri-------------------------------------------

	Ld_rnd()
	
	'Colorare aleatoare 20 de cercuri --------------------------------------------
	
	For i=1 To 20 
		Set dr = HmiRuntime.Screens("Root screen").ScreenItems("Rectangle_"+CStr(i))
		Valori(i)=Int(100*Rnd())
		dr.Height=0
		dr.Top=(120-Valori(i))+10
		dr.Height=Valori(i)
		dr.BackColor = RGB(255,255-2*Valori(i),0)
		Set dr = Nothing
		Set crc = HmiRuntime.Screens("Root screen").ScreenItems("Circle_"+CStr(i+10))
		'crc.Top=(330-Valori(i))
		crc.BackColor = RGB(255-2.5*Valori(i),2.5*Valori(i),255-2.4*Valori(i))
		Set crc = Nothing
	Next

	'EKG ----------------------------------------
			
	Dim x,n,l,a,b,harm,qrs1,qrs2,qrswav
	x=Contor*0.0045
	l = 4	 				' li=4
	a = 1.6 				' a_qrswav=1.6
	b = (2 * l) /0.09 		' d_qrswav=0.09
	n = 100
	qrs1 = (a / (2 * b)) * (2 - b)
	qrs2 = 0.0
	For i = 1 To n
		harm = (((2 * b * a) / (i * i * 3.14 * 3.14)) * (1 - Cos((i * 3.14) / b))) * Cos((i * 3.14 * x) / l)
		qrs2 = qrs2 + harm
	Next
	qrswav = qrs1 + qrs2
	Trend_ekg = 50*(1+qrswav)

	'Afisare temperatura -------------------------		
	Temperatura=Valori(1)
	im.Left=555+1.5*Temperatura
	dr21.BackColor = RGB(255,255-2.4*Temperatura,0)
	dr21.Height=1+1*Temperatura
	dr21.Top=(120-1*Temperatura)+10
End Sub

Rezumat

Limbajul de programare VB (Visual Basic) Script

    Definirea functiilor

    Sub nume_script()
      declaratii
      .
      .
      .
      declaratii
    End Sub

    Definirea tablourilor

      Dim nume_tablou(nr_elemente)

    Instructiunea if :

    If expresie relationala Then
      instructiune(instructiuni)
    End

    sau

    If expresie relationala Then
      instructiune(instructiuni)
    Else
      instructiune(instructiuni)
    End

    Instructiunea for :

    For contor=contor_start To contor_stop
      declaratii
      .
      .
      .
      declaratii
    Next

    Instructiunea do while :

    Do While expresie relationala
      declaratii
      .
      .
      .
      declaratii
    Loop

    Instructiunea do until :

    Do Until expresie relationala
      declaratii
      .
      .
      .
      declaratii
    Loop

Rezultate asteptate

Cum sa scrieti VB scripts

Sa utilizati instructiuni decizionale si repetitive

Sa definiti functii proprii

Sa realizati aplicatii SCADA in care sa folositi elemente de programare VB Script

Termeni esentiali

Termen	Descriere
SCADA	Supervisory Control And Data Aquisition
Tag	Nume generic pentru elementele din procesul monitorizat codificate prin intermediul variabilelor
HMI	Human Machine Interface -Interfata dintre aplicatie si utilizator
VB Script	Limbaj de programare Visual Basic cu care se realizeaza VB Scripts
Instructiuni decizionale	Instructiuni care permit alegerea setului de instructiuni care urmeaza a fi executate in functie de o expresie relationala
Instructiuni repetitive	Instructiuni care permit rularea repetitiva functie de o expresie relationala, a unui setului de instructiuni
Expresie relationala	Expresie a carui rezultat este o valoare logica

Recomandari bibliografice

[1] T. Turc: Sisteme SCADA, Ed. Univ. "Petru Maior", ISBN: 978-606-581-110-2 , 2013

[2] T. Turc: Aplicatii SCADA, Ed. Univ. " Petru Maior", ISBN: 978-606-581-109-6 , 2013

[3] T. Turc: Programarea microprocesoarelor din familia X86:, Ed. Univ. "Petru Maior", ISBN: 978-606-581-026-6, 2011

[4] T. Turc: Tehnologii WEB:, Ed. Univ. "Petru Maior", ISBN: 978-973-755-576-2, 2010

[5] T. Turc: Informatica aplicata in ingineria electrica, ISBN: 978-973-169-700-0, Ed. univ. UMFST, Tg. Mures, 2021

[6] T. Turc: Elemente de programare C++ utile in ingineria electrica, ISBN: 978-973-755-576-2, Ed. MatrixRom, 2009

[7] T. Turc: Programare avansata C++ pentru ingineria electrica, ISBN: 978-973-755-588-5,Ed. MatrixRom, 2009.

[8] Boldur Barbat - Informatica industriala - Programarea în timp real – Institutul Central pentru Conducere si informatica 1984

[9] Ioan Babuita – Conducerea automata a proceselor – Ed. Facla 1985

[10] Ghercioiu-National în struments - Orizonturi în instrumentatie 1995

Link-uri utile

https://support.industry.siemens.com/cs/ww/en/view/109755216 - SIMATIC WinCC V15.1 - Programming reference - 2021 -

https://support.industry.siemens.com/cs/us/en/view/109755202 - STEP 7 and SIMATIC WinCC V15.1 System Manual - 2021 -

https://support.industry.siemens.com/cs/ww/en/view/81318674 - Programming for SIMATIC S7-1200 and S7-1500 - 2021 -

https://support.industry.siemens.com/cs/document/39710145 - SIMATIC S7-1200 Easy Book - 2021 -

https://support.industry.siemens.com/cs/ww/en/view/68011496 - Creating and using user-defined web pages on S7-1200 / S7-1500 -

S7-1200_1500_Webserver_DOC_v4_en.pdf - Creating user-defined web pages for S7-1200 / S7-1500 - 2021 -