Методические указания к лабораторной работе по курсам «Системы реального времени», «Проектирование асоиу» для студентов специальности 230102 дневной формы обучения

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

ПРОГРАММИРОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ

КОНТРОЛЛЕРОВ
SIMATIC S7-200

Методические указания к лабораторной работе

по курсам «Системы реального времени», «Проектирование АСОИУ»

для студентов специальности 230102

дневной формы обучения

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Саратов 2006

Введение

В методических указаниях рассматривается методика разработки программ управления промышленными контроллерами Siemens SIMATIC S7-200 в системе программирования STEP 7– Micro/WIN.

Методические указания содержат описание контроллера Siemens SIMATIC S7 - 200, основные приемы программирования в системе STEP 7 – Micro/WIN, пример решения учебной задачи, список вопросов для самопроверки, требования к оформлению отчета о лабораторной работе и список литературы, необходимой для выполнения данной лабораторной работы.

Методические указания предназначены для студентов специальности 230102 «Автоматизированные системы обработки информации и управления», а также могут быть использованы студентами других специальностей, связанных с решением задач автоматизации управления технологическими процессами в реальном времени.

Цель работы: освоение системы программирования

STEP 7– Micro/WIN и разработка с ее помощью программ управления промышленными контроллерами для решения задач автоматизации управления технологическими процессами в реальном времени.

1.
общие сведения о контроллерах

Siemens
SIMATIC
S
7-200

Серия S7–200 – это ряд микропрограммируемых промышленных логических контроллеров (ПЛК, PLC), которые могут управлять разнообразными прикладными системами автоматизации. Компактная конструкция, расширяемость, низкая стоимость и мощная система команд микроконтроллеров S7–200 создают идеальное решение для управления малыми приложениями. Промышленные контроллеры этой серии собираются по модульному принципу. Контроллер в общем случае состоит из одного центрального единственного процессора (CPU); нескольких (0-7) моделей аналогового и дискретного ввода-вывода, а также коммуникационных модулей (Profibus, Ethetnet, AS-интерфейс) и модулей позиционирования.

Семейство S7–200 включает 4 варианта CPU (221, 222, 224, 226) различающиеся объемом памяти, числом дискретных входов/выходов и подключаемых модулей. Это многообразие обеспечивает множество технических характеристик и обеспечивает рентабельность решения задач автоматизации. Процессорные модули содержат один или два последовательных коммуникационных порта. Порты поддерживают три варианта протоколов: точка–точка (PPI), многоточечный (MPI) и свободно программируемый режим (например, протокол Modbus).

При изучении работы с контроллером будет использоваться учебный стенд, изображённый на рис.1 и имеющий следующую конфигурацию: персональный компьютер, CPU S7–222, один модуль аналогового ввода/вывода EM235, кабель связи PC/PPI, персональный компьютер с установленной системой программирования STEP 7– Micro/WIN. CPU имеет три режима работы: STOP, RUN, TERM. Для программирования контроллера используется режим TERM.

Рис.1. Компоненты системы с микроконтроллером S7–200

Для отладки программ и проверки их функционирования может использоваться программный эмулятор контроллера S7-200 (рис.2) (http://inicia.es/de/canalPLC). Для использования эмулятора необходимо, находясь в системе программирования STEP 7– Micro/WIN, сохранить на диске программу в формате AWL (экспортировать проект). Затем загрузить эту программу с диска в эмулятор контроллера S7-200 и выполнить проверку ее функционирования.

Рис.2. Интерфейс программного эмулятора контроллера S7-200

2. Структура программы и цикл сканирования

При управлении задачей или процессом CPU S7-200 непрерывно выполняет программу. Программа для CPU S7-200 создается при помощи системы программирования STEP 7 - Micro/WIN и состоит из трех основных элементов: главная программа, программы обработки прерываний, подпрограммы.

Главная программа – это основная часть программы, где размещаются команды, управляющие вашим приложением. Команды главной программы выполняются последовательно и однократно в каждом цикле сканирования CPU. Из главной программы можно вызывать различные подпрограммы и программы обработки прерываний.

Программы обработки прерываний – эти необязательные элементы программы выполняются при каждом возникновении события, вызывающего прерывание.

Подпрограммы – эти необязательные элементы программы выполняются только тогда, когда они вызываются из главной программы или программы обработки прерываний.

CPU S7-200 предназначен для циклического выполнения ряда заданий, включая программу пользователя. Такое циклическое выполнение заданий называется циклом сканирования (рис.3). В течение цикла сканирования CPU выполняет все или большинство из следующих задач: 1) считывание состояния входов; 2) выполнение программы; 3) обработка любых коммуникационных запросов; 4) выполнение самодиагностики CPU; 5) запись результатов в выходы.

Рис.3. Выполнение цикла сканирования

CPU S7-200 позволяет принудительно устанавливать значения дискретных входов и выходов, а также до 16 значений внутренней памяти или аналоговых входов и выходов. Этот прием широко используется при отладке программ (подробнее смотри системное руководство C79000 в разделе 4 «Основные концепции программирования CPU S7-200»).

В CPU S7-200 доступны две системы команд: IEС 1131–3 и SIMATIC. Система команд SIMATIC предназначена для CPU S7-200. Команды SIMATIC имеют самые короткие времена выполнения. Система команд IEC 1131–3 ограничивается командами, которые соответствуют международному стандарту МЭК 1131. Стандартные команды IEC 1131-3 описаны в системном руководстве C79000-G7076-C233-02 в разделе 10 «Инструкции контроллера S7-200». Эти команды объединяются в группы:

1) поразрядные логические команды;

2) команды сравнения IEC;

3) команды таймеров;

4) команды счетчиков;

5) арифметические команды;

6) числовые функции;

7) команды пересылки;

8) логические команды;

9) команды сдвига и циклического сдвига;

10) команды преобразования.

При использовании команд IEC 1131–3 параметры команды автоматически проверяются на правильность формата данных.

Система программирования STEP 7-Micro/WIN предоставляет выбор из трех различных редакторов для создания управляющих программы: Ladder Logic, Function Block Diagram или Statement List.

Редактор контактного плана (Ladder Logic
)

Редактор контактного плана (LAD) STEP 7-Micro/WIN позволяет формировать программы, имеющие сходство с электрической монтажной схемой (рис.4). Программы в формате LAD позволяют CPU эмулировать протекание электрического тока от источника питания через ряд логических состояний входов, которые, в свою очередь, разблокируют логические состояния выходов. Логика обычно подразделяется на малые легко понимаемые сегменты, которые в англоязычной литературе часто называются rungs, т.е. ступеньки. Программа выполняется слева направо и затем сверху вниз, как предписано программой. Как только CPU достигает конца программы, он начинает снова с вершины программы.

Рис.4. Пример программы в формате LAD

Команды представляются графическими символами (рис.9) и относятся к трем основным типа:

1) контакты представляют логические состояния, являются аналогами выключателей, кнопок;

2) катушки обычно представляют логические результаты, аналогичные лампам, пускателям электродвигателей, промежуточным реле, состояниям внутренних выходов и т.д.;

3) блоки представляют дополнительные команды, такие как таймеры, счетчики или математические команды.

Достоинства редактора LAD:

1) редактор LAD прост в использовании для начинающих программистов;

2) графическое представление легче понимается и поэтому является популярным;

3) редактор LAD можно использовать и с системой команд SIMATIC и IEC 1131–3;

4) для отображения программы, созданной при помощи редактора LAD, всегда можно использовать редактор STL.

Редактор функционального плана

(Function
Block
Diagram
)

Редактор функционального плана (FBD) STEP 7-Micro/WIN позволяет программировать в форме функциональных (логических) блоков (рис.5), напоминающих элементы блок-схем. Нет никаких контактов и катушек, как в редакторе LAD, но имеются эквивалентные команды, которые появляются как команды в форме блоков. Логика программы выводится из соединений между этими командами в форме блоков. То есть выход одной команды (например, блока AND) может использоваться для того, чтобы разрешить другой команде (например, таймеру) создать необходимую логику управления. Такая концепция соединений позволяет решать широкий круг логических задач.

Рис.5. Пример программы в формате FBD

Достоинства редактора FBD:

1) графический стиль представления в форме логических элементов хорош для последующего составления блок – программы;

2) редактор FBD можно использовать и с системой команд SIMATIC и IEC 1131–3;

3) для отображения программы, созданной при помощи редактора FBD, всегда можно использовать редактор STL.

На рис.5 показан пример программы, созданной при помощи редактора FBD. Данная программа определяет длительность работы привода (тормоза, автоматы и т.д.). Она основана на том, что при работающем приводе на вход «I0.0» подается сигнал 24 В, а при остановленном двигателе напряжение отсутствует. Появление сигнала запускает счет времени, а при отсутствии сигнала счет времени прерывается, пока сигнал не появится снова. Число сосчитанных часов заносится в слово данных «VW0», минуты – в слово данных «VW2», а секунды – в слово данных «VW4». (Пример находится в файле «S7-200Tips&TricsS72_16r.pdf»).

Цикл программы начинается с опроса состояния входа «I0.0». Если логическое состояние «1», то вызывается «Подпрограмма 1». В «Подпрограмме 1» таймер «T5» (задержка включения с запоминанием) устанавливается на одну секунду. По прошествии этой секунды устанавливается бит таймера «T5», а значение слова меркеров «MW4» для значения секунд увеличивается на 1. Для того чтобы при следующем цикле таймер снова мог быть запущен, бит таймера «T5» сбрасывается. Если меркер секунд достигает значения 60, то меркер минут «MW2» повышается на 1, а меркер секунд «MW4» снова сбрасывается в ноль (знак «>» служит здесь для повышения надежности). Если меркер минут достигает значения 60, то он сбрасывается в ноль, а слово данных «VW0», работающее как память для прошедших часов, увеличивается на 1. Кроме того, меркер минут «MW2» копируется в слово данных «VW2» для текущего значения минут, а меркер секунд «MW4» - в слово данных «VW4» для текущего значения секунд. На этом работа подпрограммы завершается. Последняя инструкция в конце основной программы служит только для вывода текущего значения секунд на светодиодный индикатор.

Редактор списка команд (Statement List
)

Редактор списка команд (STL) STEP 7-Micro/WIN позволяет создавать управляющие программы, вводя мнемонику команд. Редактор STL больше подходит для опытных программистов, хорошо знакомых с ПЛК и логическим программированием. Редактор STL позволяет также создавать программы, которые нельзя создать с помощью редакторов LAD и FBD, так как STL - это «родной язык» CPU, а не язык для графического редактора, где применяются ограничения для правильного рисования схем.

На рис.6 показан пример программы в форме STL. Данная программа реализует пример шаговой цепочки, в каждом шаге выполняется определенное действие. Шаги выполняются последовательно, причем шаг выполняется только, если выполнены все предусмотренные для этого условия. Условия и активные выходы для каждого шага приведены в таблице.

Network 1
// шаг 1

LD I0.1 // Условие пуска

AN I0.0 // и нет сброса

AN M0.0 // и не установлены след. шаги

AN M0.1 //

AN M0.2 //

AN M0.3 //

AN M0.4 //

S M0.0, 1 // 1-й шаг установить

Network 2

LD M0.0 // 1-й шаг

S Q0.2, 2 // установить выходы

TON T37, +50// Интервал времени 2-го шага

Network
3 // шаг 2

LD T37 //По оконч. 1-го интервала врем.

A M0.0 // и после выполнения 1-го шага R R M0.0, 1 // 1-й шаг сбросить,

S M0.1, 1 // а 2-ой шаг установить

Network 4

LD M0.1 // 2-ой шаг

S Q0.1, 1 // Установить выходы

S Q0.4, 1 //

R Q0.2, 2 // Сбросить выходы

TON T38,+50// Интервал времени 3-го шага

Network
5 // шаг 3

LD T38 //По оконч. 2-го интервала врем.

A M0.1 // и после выполнения 2-го шага

R M0.1, 1 // 2-ой шаг сбросить,

S M0.2, 1 // а 3-й шаг установить

Network 6

LD M0.2 // 3-й шаг

S Q0.0, 1 // Установить выходы

S Q0.5, 1

R Q0.1, 1 // Сбросить выходы

R Q0.4, 1

Network
7 // шаг 4

LD I0.2 // Появилось усл.вкл. 4-го шага

A M0.2 // и после выполнения 3-го шага

R M0.2, 1 // 3-й шаг сбросить,

S M0.3, 1 // а 4-й шаг установить

Network 8

LD M0.3 // 4-й шаг

S Q0.1, 1 // Установить выходы

S Q0.3, 1 //

R Q0.0, 1 // Сбросить выходы

TON T39, +50// Интервал времени 5-го шага