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Beitragstyp: Anwendungsbeispiel Beitrags-ID: 17913921, Beitragsdatum: 10.12.2003
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Entfernungsmessung mit einem Sonar-BERO und dem integrierten Zähler der S7 CPU 31xC

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  • Betrifft Produkt(e)

FRAGE:
Gibt es ein Beispiel, wie der integrierte Zähler der S7 CPU 31xC für die Entfernungsmessung mit einem Sonar-BERO genutzt werden kann?

ANTWORT:
In diesem Beitrag ist beschrieben, wie der integrierte Zähler der Kompakt CPU S7 CPU31xC für die Entfernungsmessung mit einem Siemens Sonar-BERO der Kompaktreihe M18 genutzt werden kann.

Bild 1. Stromlaufplan der verwendeten Komponenten

Funktionsweise:
Der Sonar-BERO sendet in regelmäßigen Abständen kurze Ultraschallimpulse aus. Der Zeitabstand vom Aussenden bis zum Eintreffen des von einem Objekt reflektierten Schallimpulses am Sonar-BERO, wird gemessen und in eine Frequenz umgesetzt. Am Frequenzausgang des Sonar-BERO erscheint ein Rechtecksignal, dessen Frequenz proportional zur gemessenen Entfernung ist. Das Signal wird auf den Digitaleneingang des integrierten Zählers der S7 CPU 314C geschaltet. Die Frequenz wird mittels SFB 48 kontinuierlich erfasst und im Programm in die entsprechende Entfernung umgerechnet.

BERO-Kontakt Signalbedeutung

S7-Anschlüsse

1 L+ Stromversorgung: +24VDC
2 Enable/Sync Digital Ausgang: 124.1
3 L- Stromversorgung: M
4 Frequenzausgang Digital Eingang: 124.0

Tabelle 1: Anschlussbelegung zur Verbindung Sonar-BERO mit der S7 CPU

Für die Verbindung des Sonar-BERO mit der CPU314C-2PtP, ist ein geschirmtes Kabel mit paarweise verdrillten Leitern zu verwenden. (z. B. ist ein PC-Ethernet-Anschlusskabel für kleinere Entfernungen sehr gut geeignet).

Um auch bei höheren Frequenzen einen rechteckförmigen Signalverlauf sicherzustellen, ist der Ausgang des Sonar-BEROs (möglichst nah am Digitaleingang der S7 CPU) mit einem 300 Ohm Widerstand (2 W) zu belasten.

S7 CPU 314C-2PtP
Für die Frequenzmessung ist in der STEP 7 Hardware Konfiguration das Submodul "Zählen" der S7 CPU 314C zu parametrieren.

Im Register "Grundparameter" ist die Betriebsart "Frequenzmessen" einzustellen. Anschließend sind im Register "Frequenzmessen" die folgenden Einstellungen vorzunehmen:

Bild 2: STEP 7 Hardware Konfiguration mit den Einstellungen für das Submodul "Zählen" im Register "Frequenzmessen"

In der Betriebsart "Frequenzmessen" werden die vom Sonar-BERO gelieferte Impulse innerhalb der Integrationszeit gezählt und daraus die Frequenz bestimmt. Nach dem Ablauf der Integrationszeit wird der Messwert aktualisiert.

Der Frequenzmesser wird über den Systemfunktionsbaustein SFB 48 "SFB FREQUENC" gesteuert. Die von der S7-CPU gemessene Frequenz hat eine Auflösung von 1 mHz. Den Messwert liefert der Ausgangsparameter "MEAS_VAL" vom SFB 48.

Beim Überschreiten der Obergrenze bzw. beim Unterschreiten der Untergrenze wird der über die Hardware Konfiguration eingestellte Digitalausgang (DA 124.1) gesetzt.

Programmbeispiel
Die für die Frequenzmessung erforderliche Beschaltung des SFB 48 sowie die Umrechnung der gemessenen Frequenz in die Entfernung wird vom FC 48 durchgeführt.

Bild 3: Flussdiagramm vom FC 48

Der verwendete Sonar-BERO hat einen Nennmessbereich von 15 cm bis 100 cm. Die vom BERO erzeugte Frequenz ist linear zum Abstand.

Abstand Sonar-BERO
zum Objekt
Vom Sonar-BERO
erzeugte Frequenz
15 cm 150 Hz
100 cm 1000 Hz

Tabelle 2: Ausgangsfrequenz des Sonar-BEROs in Abhängigkeit von der Entfernung

Die Auflösung des Zählers beträgt 1mHz. Damit errechnet sich die Entfernung in Zentimeter, indem der gemessene Wert für die Frequenz durch 10.000 geteilt wird. Der vom SFB 48 gemessene Wert wird dazu in das Datenformat "REAL" gewandelt und anschließend die Division durchgeführt.

In dem beigefügten Diagramm sind die gemessenen Frequenzen in Abhängigkeit von der Entfernung dargestellt.

Bild 4: Messergebisse mit dem verwendeten Sonar-BERO

Für viele Anwendungen ist die gemessene Genauigkeit absolut ausreichend. Um noch genauere Messergebnisse zu erreichen, kann die Abweichung in der Steigung, zwischen der Soll- und der Ist-Kurve, durch einen Korrekturfaktor ausgeglichen werden. Im Programm ist diese Möglichkeit als Option vorgesehen und der Korrekturfaktor mit "1" vorbelegt.

Hinweis:
Der Korrekturfaktor ist für jeden Sonar-BERO individuell zu ermitteln. Für den im Diagramm dargestellten Sonar-BERO ergibt sich ein Korrekturfaktor von 0,9843.

Für den Ablauf des Programms gehen Sie bitte folgendermaßen vor:

  1. Laden Sie das STEP 7 Programm inkl. der Systemdaten.
  2. Nach dem Neustart aktivieren Sie bitte den Merker M0.7, damit der Ausgang "Enable/Sync" 124.1 und der angeschlossene Sonar-BERO aktiviert wird.
  3. Anschließend können Sie über den Merker M0.1 das SW-Gate für den Frequenzmesser aktiveren.
    Die am Eingang "Ch0_FreqCount" (E 124.0) angelegte Frequenz wird gemessen und am Ausgang "COUNTVAL" des SFB 48 angezeigt. Liegt die gemessen Frequenz außerhalb des projektierten Bereiches, dann wird der Digital Ausgang 124.0 aktiv und im Programm der Messwert = 0 gesetzt.

Für die Eingabe und zur Beobachtung der Werte steht Ihnen die Variablen-Tabelle "VAT_FreqCount" zur Verfügung.

Weiterführende Informationen / Handbücher
"Sonar-BERO Kompaktreihe M18",
Bestell.-Nr. 3ZX1012-0RG62-2AA1, Beitrags ID 6008111

"SIMATIC Automatisierungssystem S7-300 CPU-Daten: CPU 31xC und CPU 31x",
Bestandteil des Dokumentationspaketes
Bestell-Nr. 6ES7398-8FA10-8AA0, Beitrags ID 12996906

"Automatisierungssystem S7-300 CPU 31xC Technologische Funktionen",
Bestandteil des Dokumentationspakets
Bestell-Nr. 6ES7 398-8FA10-8AA, Beitrags ID 12429336

Inhalt Beschreibung
Projekt-Name Freq31xC
Verwendet Programmiersprache(n) AWL
Bausteine FC 48 -> Aufruf SFB 48
Kommentare im Baustein Umschaltbar: deutsch / englisch
Mnemonik und Kommentar im Quellcode englisch

Tabelle 3: Überblick über den Inhalt des beigefügten Downloads

Der beigefügte Download enthält das STEP 7 Projekt "Freq31xC"

Freq_31xC.exe

Kopieren Sie die Datei "Freq_31xC.exe" in ein separates Verzeichnis und starten Sie die Datei anschließend per Doppelklick. Das STEP 7 Projekt wird automatisch entpackt und kann anschließend geöffnet bzw. bearbeitet werden.

Ablauffähigkeit und Testumgebung:
Das Beispiel ist einsetzbar auf allen S7-300 CPU Typen der Kompaktreihe CPU 31xC mit integrierten Technologiefunktionen.
In der folgender Tabelle sind die Komponenten aufgeführt, mit denen dieser Beitrag erstellt und die beschriebene Funktionsweise verifiziert wurde:

Testumgebung Version
PC Plattform Pentium III, 800MHz, 260 MB Hauptspeicher
PC-Betriebssystem Windows XP V5.1 SP1
STEP 7 STEP 7 V5.2 , SP 1
Optionspakete --
S7-CPU CPU 314C-2PtP (314-6BF00-0AB0)
Sonar-BERO Kompaktreihe M18 (3RG62 33-3RS00

Tabelle 4: Systemvoraussetzungen des beigefügten Downloads


Securityhinweise
Um technische Infrastruktur, Systeme, Maschinen und Netzwerke gegen Cyber-Bedrohungen zu sichern, ist es erforderlich, ein ganzheitliches IT Security-Konzept zu implementieren (und kontinuierlich aufrechtzuerhalten), das dem aktuellen Stand der Technik entspricht. Die Produkte und Lösungen von Siemens formen nur einen Bestandteil eines solchen Konzepts. Weitergehende Informationen über Cyber Security finden Sie unter
https://www.siemens.com/cybersecurity#Ouraspiration.