AU080401 Automaatiotekniikka Toimilohko FB
Tarkoitus Dokumentissa kuvataan, mikä on toimilohko (FB) miten toimilohko muodostetaan ja miten sitä sovelletaan S7 ohjelmointiympäristössä (STEP7) mitä etua toimilohkojen käytöllä saavutetaan mitä asioita on huomioitava toimilohkoa luotaessa 2
Ohjelmakomponentit Ohjelmassa usein toistuvat ohjelmaosuudet kannattaa toteuttaa siten, että ne ovat helposti käytettävissä uudelleen muualla ohjelmassa.. Siemens ohjelmointiympäristössä voidaan ohjelmakomponentiksi luoda ohjelma, joka on toteutettu joko FC:hen (funktioon) tai FB:hen (toimilohkoon). Tämä dokumentti kuvaa, mikä on toimilohko ja miten sitä sovelletaan S7 ympäristössä. Funktio on kuvattu tarkemmin dokumentissa AU080401_Funktio.pdf 3
Toimilohko Ohjelmistoelementti, johon ohjelmoidaan tiettyä toiminnallista kokonaisuutta ohjaava ohjausalgoritmi. Voidaan rajattomasti kutsua ohjelmassa. Jokainen kutsu luo toimilohkosta ilmentymän, joka on muista ilmentymistä riippumaton, jolloin sama toimilohko voi ohjata useampaa samanlaista laitetta. Sisältää suoritettavan ohjelmakoodin ja kutsussa luotavan ilmentymän tietorakenteen, joka koostuu tulo-, tulolähtö- ja lähtöparametreista sekä paikallisista muuttujista, jotka voivat olla pysyvistä tai tilapäisistä. Toimilohkon ilmentymän ohjelmakoodi ja paikalliset muuttujat ovat muulta sovellukselta piilossa. Tiedonvaihto sovelluksen kanssa tapahtuu tulo-, tulolähtö- ja lähtöparametrien kautta. 4
Toimilohkon vs. Functio Toimilohko on kuten funktio, paitsi, että toimilohko varaa itselleen muistia, jolloin sitä voidaan soveltaa ohjelmassa funktiota monipuolisemmin. Toimilohkoon määriteltyjen sisäisten muuttujien tilat(arvot) säilyvät lohkon muistissa lohkon suorituksen jälkeenkin, jolloin niitä voidaan hyödyntää, kun lohko seuraavan kerran suoritetaan (yleensä seuraava ohjelmasykli). 5
Toimilohko Toimilohkojen soveltamisella saavutetaan samoja etuja kuin funktioiden soveltamisella, joten kertauksen vuoksi seuraavassa on esitetty funktion etuja.. Funktion etuja eräästä C-kielen opetusmateriaalista: Funktiot ovat esimerkki luovasta laiskuudesta. Toistuvista toiminnoista kannattaa tehdä funktoita, jolloin samaa koodia ei tarvitse kirjoittaa joka paikkaan. Miksi sitten ei kannata kopioida jo toimivaa koodia sellaisenaan useampiin kohtiin? Vastaus: jos ja kun ohjemaa täytyy muuttaa toistuvan koodin kohdalta, on paljon selkeämpää ja helpompaa muuttaa koodia yhden funktion sisällä kuin kopioiduista koodilohkoista. Lisäksi funktioiden tekeminen pakottaa tekemään yhden asian kerrallaan, mikä pienentää vikojen etsimisen vaivaa ja koodin kirjoittamista, kun ohjelma kasvaa isommaksi. 6
Toimilohko lisää etuja: Ei ole olemassa ohjelmoijaa, jonka koodit eivät olisi jossain vaiheessa ylittäneet ohjelmoijan käsityskykyä. Pitämällä koodin selkeänä ja rakenteisena, pystyt tekemään ohjelmasta paljon paremman ominaisuuksien määrässä sekä virheiden vähyydessä, koska tajuat ohjelman toiminnan. Edellä mainitut edut pätevät myös ohjelmoitavilla logiikoilla tehtävään ohjelmistokehitykseen. 7
Toimilohko Yleiskäyttöisiä toimilohkoja soveltamalla saadaan laitteiden ohjelmointiin käytettävää aikaa lyhennettyä ohjattavissa järjestelmissä, joissa on seuraavia piirteitä: Ohjattavat laitteet ovat toimintaperiaatteiltaan samankaltaisia. Laitteet ja toimilaitteet ovat toiminnoiltaan yksinkertaisia, usein toimilaitetta ohjataan yhdellä bitillä (päälle/pois, ylös/alas). Mekaniikaltaan erilaisten laitteiden ohjaus, on toteutettu samalla tavalla, esim. erilaiset kuljetintoteutukset. Sama laite toistuu usein järjestelmän sisällä. Toimintaperiaatteiltaan erilaisten toimilaitteiden määrä vähäinen. 8
Toimilohko Laiteohjaukselle ominaisia piirteitä Laitteiden ja toimilaitteiden ohjauskokonaisuudet ovat luonnollisia, laitteiden mekaniikan määrittelemiä. Toimilohkoiksi muodostettavien kokonaisuuksien tunnistaminen helppoa, yhteenkuuluvien osien luonnollisuudesta ja järjestelmän ohjauksen hierarkkisuudesta johtuen 9
Toimilohko, Siemens S7 Siemens S7 ohjelmointiympäristössä toimilohkoa vastaa ohjelmalohko Function Block (FB) 10
Siemens S7, Toimilohkon soveltaminen keino 1 Toimilohkosta (FB) on mahdollista tehdä projektikohtainen moduuli, jolloin toimilohkoon ohjelmoidaan tietyn toiminnallisuuden toteuttava ohjelma, joka hakee tulotietonsa ja päivittää lähtötietonsa (tieto = signaali) suoraan ohjattavan sovelluksen (laitteen) tulo- ja lähtökorteilta sekä tallettaa sisäiset muuttujat omaan muistiinsa. Siis samalla tavalla, kuten funktiota sovellettiin dokumentissa AU080401_Funktio.pdf (kohta: Funktion soveltaminen keino 1) Tällä tavalla toimilohkoa käytetään hyvin harvoin, koska siinä ei tehokkaasti hyödynnetä toimilohkon tarjoamia ominaisuuksia, joten ei tästä sen enempää. 11
Siemens S7, Toimilohkon soveltaminen keino 2 Toimilohkosta (FC) tehdään yleiskäyttöinen moduuli eli siihen ohjelmoidaan tietyn toiminnallisuuden toteuttava ohjelma ja sovelluksen ja toimilohkon välinen tiedonvaihto tulo(in) -, tulolähtö(in_out) - ja lähtö(out) - parametrien kautta, jolloin samaa toimilohkoa voidaan käyttää (kutsua) ohjelmassa muuallakin. Seuraavalla sivulla on esimerkki toimilohkosta (FB30), joka toteuttaa saman toiminnallisuuden kuin funktio (CLOCK_PULSE), joka on kuvattu AU080401_Funktio.pdf dokumentin kohdassa Funktion toteuttaminen, Siemens S7, esimerkki 1. 12
Siemens S7, Toimilohkon soveltaminen keino 2 Tulo- ja lähtöparametrit kuten vastaavassa funktiossa (FC10). Sisäisiksi muuttujiksi (STAT) siirretään ne muuttujat, joiden arvo pitää säilyä lohkon muistissa ja arvoa ei tarvitse palauttaa kutsuvalle ohjelmalle. Tässä tapauksessa vain nousevan reunan apubitti on sellainen muuttuja. 13
Siemens S7, Toimilohkon soveltaminen keino 2 Tämän jälkeen toimilohko on valmis. Toimilohkon liittäminen OB1:een kuvataan myöhemmin tässä dokumentissa. 14
Siemens S7, Toimilohkon soveltaminen keino 3 Toimilohkoa (FB) on mahdollista käyttää myös ohjelman jakamisessa pienempiin osakokonaisuuksiin (ks. Jaoteltu ohjelmointi), jolloin ohjelmien rakenne ja sitä kautta myös luettavuus paranevat. Siis samalla tavalla, kuten funktiota sovellettiin dokumentissa AU080401_Funktio.pdf (kohta: Funktion soveltaminen keino 3) Tällä tavalla toimilohkoa käytetään kuitenkin hyvin harvoin, joten ei tästä sen enempää. 15
Toimilohkon toteutus Siemens S7 Siemens S7 ohjelmointiympäristössä toimilohkoja kutsutaan nimellä Function Block (FB). Function Blockin ominaisuuksia: Ohjelmoidaan kuten FC:t ja OB:t Kaikki ohjelmassa käytettävät muuttuja määritellään lohkossa: (IN) Tuloparametrit (OUT) Lähtäparametrit (IN_OUT) Tulo lähtöparametrit (STAT) Lohkon sisäiset pysyvät muuttujat (TEMP) Lohkon sisäiset, väliaikaiset muuttujat IN-, OUT-, IN_OUT- ja STAT muuttujat talletetaan tiedostoon, jolloin niiden arvo säilyy muistissa senkin jälkeen kun palataan takaisin kutsuvaan ohjelmaan. Lohkon sisäiset muuttujat ovat muulta sovellukselta piilossa. Tiedonvaihto sovelluksen kanssa tulo- ja lähtöparametrien kautta. Kutsukohtainen ilmentymä talletetaan tiedostoon (DB), joka määritellään kutsun yhteydessä. Jokaiseen kutsuun määritellään uusi tiedosto. Voidaan rajattomasti kutsua ohjelmassa. 16
Toimilohkon toteutus Siemens S7 Siemens S7 ohjelmissa toimilohkon sisäiset muuttujat talletetaan DB:hen ns. instanssitiedostoon. Toimilohko ja instanssitiedosto liitetään yhteen toimilohkon kutsussa, jossa kutsuttavan toimilohkon lisäksi määritellään tiedosto, johon toimilohkon sisäiset muuttujat talletetaan. Ohjelmaeditori muodostaa instanssitiedoston automaattisesti, kun toimilohko liitetään ohjelmaan. Instanssitiedoston muuttujat, niiden nimet ja tyyppi määritellään toimilohkossa. 17
Toimilohkon toteutus Siemens S7 Muuttujat määritellään toimilohkossa Interface osioon, joka sijaitsee virtapiirien yläpuolelta. Muuttujat määritellään kuten tiedostoissa, ts. muuttuja annetaan nimi ja tyyppi (BOOL, INT, Timer, S5Time,...). Toimilohkon kutsussa esitettävät muuttujat, tulo-, tulolähtö- ja lähtöparametrit, määritellään kohtiin IN, IN_OUT ja OUT. 18
Toimilohkon toteutus Siemens S7 IN - kohtaan määritellään tuloparametrit, eli ne muuttujat, joiden alkuarvo halutaan määritellä kutsuvassa ohjelmassa. Laiteohjauksessa tällaisia muuttujia ovat mm. kaikki laitteessa olevat anturit ja ohjauksessa tarvittavat signaalit. Huom! Toimilohkon sisällä ei ole mahdollista muuttaa tuloparametreihin määriteltyjä arvoja. OUT - kohtaan määritellään lähtöparametrit, eli ne muuttujat, joiden arvo halutaan palauttaa kutsuvaan ohjelmaan. Laiteohjauksessa tällaisia muuttujia ovat mm. kaikki laitteen toimilaitteiden ohjaustiedot ja laitteen sisäistä tilaa esittävät tiedot, kuten virheet ja tuotantolaskurit. IN_OUT - kohtaan määritellään parametrit, joissa tieto siirtyy molempiin suuntiin. Tällaisten muuttujien arvoja voidaan päivittää sekä toimilohkossa, että toimilohkon ulkopuolella sovelluksessa. 19
Toimilohkon toteuttaminen, Siemens S7, esimerkki 1 Luodaan toimilohko CLOCK_PULSE_FB (FB30) ja ohjelmoidaan siihen ohjelma, joka muodostaa kellopulssin, jonka ylhäällä ja alhaalla oloaika voidaan määritellä erikseen. Alla aikakaavio, jossa on kuvattu funktion lähdön suhde funktion tuloon Tulo Lähtö Toimilohko siis toteuttaa saman toiminnallisuuden kuin funktio (CLOCK_PULSE), joka on kuvattu AU080401_Funktio.pdf dokumentin kohdassa Funktion toteuttaminen, Siemens S7, esimerkki 1. 20
Toimilohkon toteuttaminen, Siemens S7, esimerkki 1 Ensimmäiseksi Interface osion IN - ja OUT - kohtiin päivitetään samat muuttujat, kuin vastaavassa funktiossa (FC30). Kopioi virtapiiri funktiosta (FC30) editoitavaan toimilohkoon. 21
Toimilohkon toteuttaminen, Siemens S7, esimerkki 1 Sisäisiksi muuttujiksi (STAT) siirretään ne muuttujat, joiden arvo pitää säilyä lohkon muistissa ja arvoa ei tarvitse palauttaa kutsuvalle ohjelmalle. Tässä tapauksessa vain nousevan reunan apubitti on sellainen muuttuja. Muuta apubitti ohjelmassa vastaavasti. 22
Toimilohkon toteuttaminen, Siemens S7, esimerkki 1 Talletetaan toimilohko ja avataan OB1 sekä valitaan sieltä virtapiiri, johon toimilohko sijoitetaan. Käyttäjän tekemät toimilohkot tallettuvat ohjelmointieditorin FB Blocks hakemistoon, josta ne voidaan kopioida haluttuun virtapiiriin, samalla tavalla kuten funktiot tai muut lohkot (esim. Drag-and-Drop). 23
Toimilohkon toteuttaminen, Siemens S7, esimerkki 1 Toimilohko on kopioitu virtapiiriin. Seuraavaksi syötetään arvot toimilohkon tulo- ja lähtöparametreihin. 24
Toimilohkon toteuttaminen, Siemens S7, esimerkki 1 Parametrien syöttämisen jälkeen määritellään tiedosto (ns. instanssitiedosto), johon tämän toimilohkon ilmentymä talletetaan. 25
Toimilohkon toteuttaminen, Siemens S7, esimerkki 1 Annetaan instanssitiedostoksi DB30 26
Toimilohkon toteuttaminen, Siemens S7, esimerkki 1 Kun painat enteriä, ohjelma kysyy, luoko se instanssitiedoston DB30. Tähän vastataan yes. 27
Toimilohkon toteuttaminen, Siemens S7, esimerkki 1 Tämän jälkeen toimilohko on valmis. 28
Toimilohkon toteuttaminen, Siemens S7, esimerkki 1 Lisätään myös seuraavaan virtapiiriin kutsu FB30:neen Huom! Ajastimille ja lähtöbitille pitää määritellä uusi osoite, kuten funktiossakin. Lisäksi pitää toimilohkolle määritellä uusi instanssitiedosto, miksi?. 29
Toimilohkon toteuttaminen, Siemens S7, esimerkki 1 Toimilohkoon liitetyn instanssitiedoston rakenne ja muuttujat vastaavat toimilohkon Interface-osion rakennetta ja niihin määriteltyjä muuttujia. 30
Toimilohkon toteuttaminen, Siemens S7, esimerkki 2 Luodaan Toimilohko Moottorinohjaus ja ohjelmoidaan siihen ohjelma, joka ohjaa 2-suuntaista moottoria. Taas sama toiminnallisuus kuin vastaavassa funktioesimerkissä (ks. AU080401_Funktio.pdf ). 31
Toimilohkon toteuttaminen, Siemens S7, esimerkki 2 Ensimmäiseksi Interface osion IN - ja OUT - kohtiin päivitetään samat muuttujat, kuin vastaavassa funktiossa (FC10). 32
Toimilohkon toteuttaminen, Siemens S7, esimerkki 2 Kopioidaan kaikki virtapiirit funktiosta (FC10) editoitavaan toimilohkoon. 33
Toimilohkon toteuttaminen, Siemens S7, esimerkki 2 Kopioidaan kaikki virtapiirit funktiosta (FC10) editoitavaan toimilohkoon. 34
Toimilohkon toteuttaminen, Siemens S7, esimerkki 2 Lopuksi lisätään toimilohko kutsu OB1:een ja päivitetään käytettävät osoitteet ja alkuarvot funktion tulo- ja lähtöparametreihin sekä määritellään instanssitiedosto. 35