Программное обеспечение систем управления

Москва  2019

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ  
И АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 
 
Кафедра автоматизации

Н.В. Осипова

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ  
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Учебное пособие

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 3313

УДК 004 
 
О-74

Р е ц е н з е н т 
канд. техн. наук, доц Б.Ф. Коньшин

Осипова Н.В.
О-74  
Программное обеспечение систем управления : учеб. пособие / Н.В. Осипова. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2019. – 
74 с.
ISBN 978-5-906953-67-4

В учебном пособии представлены теоретические сведения о промышленных логических контроллерах Siemens Simatic S7-300, а также SCADA-систем. 
Приведены примеры написания программы и разработки программного обеспечения АСУ для конкретного технологического процесса с применением пакетов STEP7 и WinCC Flexible.
Пособие предназначено для студентов, обучающихся в бакалавриате по 
направлению подготовки 27.03.04 «Управление в технических системах», профилю «Управление и информатика в технических системах» и студентов других технических специальностей, изучающих дисциплины по автоматизации 
и управлению.

УДК 004

 Н.В. Осипова, 2019
ISBN 978-5-906953-67-4
 НИТУ «МИСиС», 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ..............................................................................................4
1. Общие сведения о программируемых логистических  
контроллерах .............................................................................................5
Контрольные вопросы ............................................................................. 8
2. Автоматное программирование программруемых логистических 
контроллеров .............................................................................................9
2.1. Принцип работы ПЛК как конечного автомата ............................. 9
2.2. Вывод функциональных соотношений, описывающих  
работу ПЛК как автомата ...................................................................... 10
Контрольные вопросы ........................................................................... 14
3. Основы программирования в STEP7 ................................................15
3.1. Создание проекта в приложении Simatic Manager ...................... 15
3.2. Логические функции ....................................................................... 16
3.3. Сравнение данных........................................................................... 18
3.4. Арифметические операции ............................................................ 19
3.5. Таймеры ............................................................................................ 20
3.6. Счетчики .......................................................................................... 21
3.7. Блоки для передачи данных ........................................................... 22
3.8. Обработка аналоговых величин .................................................... 22
Контрольные вопросы ........................................................................... 25
4. Пример составления программы управления технологическим 
процессом ................................................................................................26
4.1. Пример составления таблицы и графа состояний....................... 27
4.2. Программирование технологических операций процесса 
в STEP7 .................................................................................................... 28
4.3. Проверка работы программы в S7-PLCSIM ................................ 38
Контрольные вопросы ........................................................................... 40
5. Scada-система ......................................................................................41
5.1. Создание экранных форм для визуализации  
технологического процесса ................................................................... 41
5.2. Тестирование программного обеспечения ................................... 53
Контрольные вопросы ........................................................................... 60
Заключение ..............................................................................................61
Библиографический список ...................................................................62
Приложение. Упражнения для самоконтроля ..................................... 63

ПРЕДИСЛОВИЕ

Цель написания учебного пособия по дисциплине «Программное 
обеспечение систем управления» состоит в приобретении навыков по 
программированию ПЛК Siemens в среде STEP7, а также созданию 
экранных форм в пакете Simatic WinCC Flexible для визуализации 
технологического процесса.
Учебное пособие является основной литературой для освоения 
дисциплины «Программное обеспечение систем управления».
Контроллеры Siemens Simatic S7-300 на сегодняшний день являются наиболее эффективным средством автоматизации, так как обладают простотой обслуживания и многофункциональностью. Поэтому 
издание пособия, позволяющего подробно их изучить, является актуальной задачей.
Новизна пособия состоит в более полном анализе и приведении 
алгоритмов и примеров программирования конкретного технологического процесса, создании программного обеспечения, которое позволяет оператору наблюдать за ходом процесса в режиме реального 
времени. В пособии представлены теоретические основы и методика 
программирования контроллеров Siemens Simatic S7-300 и SCADAсистем.
В учебном пособии автором сделана попытка рассмотреть теоретические основы программирования на языке релейных диаграмм 
LAD, функционального плана FBD пакета STEP7 и этапы создания 
SCADA-систем в среде WinCC Flexible как наиболее легко осваиваемой обучающимися.
Для достижения наиболее эффективного результата при прочтении 
учебного материала, издание рекомендуется изучать, параллельно 
опираясь на источники, приведенные в списке литературы.
В учебном пособии приводится перечень заданий для контроля 
знаний студентов на темы:
1. Разработка программного обеспечения АСУ ТП изготовления 
продукции.
2. Разработка программного обеспечения АСУ ТП сортировки деталей.
3. Разработка программного обеспечения АСУ технологической 
линией изготовления деталей.
4. Разработка программного обеспечения АСУ технологической 
линией розлива бутылок.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОГРАММИРУЕМЫХ 
ЛОГИСТИЧЕСКИХ КОНТРОЛЛЕРАХ

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) представляют 
собой управляющее устройство, применяемое для автоматизации технологических процессов, в транспортной отрасли, быту и др.
На сегодняшний день Siemens является самым крупным мировым 
производителем универсальных программируемых контроллеров, а 
его продукция представлена ПЛК семейств SIMATIC S7-200, SIMATIC 
S7-300, SIMATIC S7-400, SIMATIC S7-1200, SIMATIC S7-1500.
Микроконтроллеры SIMATIC S7-200 находят применение в небольших системах автоматизации и управления. Они могут работать 
автономно и в информационной сети (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Микроконтроллер SIMATIC S7-200

Контроллер Siemens SIMATIC S7-300 – это модульный программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации низкой и средней степени сложности. В зависимости от 
типа используемого центрального процессора он способен обслуживать от 16 дискретных входов/выходов до 65536 дискретных или 4096 
аналоговых каналов ввода/вывода (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Контроллер Siemens SIMATIC S7-300

Модульный контроллер SIMATIC S7-400 используется для разработки систем автоматического управления средней и высокой степени 
сложности. Он имеет модификации: SIMATIC S7-400H с резервированной структурой и высокой надежностью, SIMATIC S7-400F/FH – 
для построения систем противоаварийной защиты (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Контроллер SIMATIC S7-400

Микроконтроллеры SIMATIC S7-1200 решают задачи автоматизации и управления малого уровня при построении относительно простых узлов автоматики. Включают модули, которые поддерживают от 
10 до 284 дискретных и от 2 до 51 аналоговых каналов ввода-вывода 
(рис. 1.4).

Рис. 1.4. Контроллер SIMATIC S7-1500

Семейство контроллеров SIMATIC S7-1500 применяется для решения задач среднего и высокого уровня сложности. У данных ПЛК 
очень высокий уровень производительности за счет сокращения времени реакции на внешние события (рис. 1.5). 

Рис. 1.5. Контроллер SIMATIC S7-1500

Рассмотрим подробно структуру ПЛК Siemens SIMATIC S7-300 [6]:
 – модуль источника питания (PS) обеспечивает контроллер питанием от сети переменного напряжения или от источника постоянного 
тока;
 – модуль центрального процессора (CPU) служит для хранения и 
обработки программ, созданных пользователем;
 – интерфейсный модуль (IM) необходим для подключения к ПЛК 
стоек расширения;
 – сигнальные модули (SM) используются для ввода/вывода аналоговых и/или дискретных сигналов, адаптации системных сигналов 
к внутреннему уровню сигналов;
 – функциональные модули (FM) обрабатывают сигналы независимо от CPU, самостоятельно решают задачи автоматического регулирования, позиционирования и т.д.;
 – коммуникационные процессоры (СР) применяются для установки соединений с подсетями Profibus, Ethernet и т.д.
Все модули расположены в слотах в соответствии со следующей 
структурой:
 – слот 1: PS;
 – слот 2: CPU;
 – слот 3: IM;
 – с 4 по 11 слоты: FM, SM, СР.
При дальнейшем изучении настоящего пособия рекомендуется 
предварительно ознакомиться со структурой данного ПЛК, способа

ми адресации, поддерживаемыми форматами данных и программным 
обеспечением, используя источники [2, 3, 5, 6, 9, 11].
В ходе рассмотрения контроллеров различных семейств фирмы 
Siemens, отличающихся по трудоемкости решаемых задач автоматизации и управления, акцент был сделан в сторону SIMATIC S7-300, 
так как большинство технологических процессов обладает низкой и 
средней степенью сложности. Их популярность обусловлена использованием достаточно простых языков программирования, наличием 
встроенных функций, легкостью в обслуживании и эксплуатации.

Контрольные вопросы

1. Что такое промышленный логический контроллер?
2. Перечислите контроллеры различных семейств фирмы Siemens.
3. Назовите основные отличия ПЛК различных семейств фирмы 
Siemens.
4. Расскажите о структуре ПЛК Siemens SIMATIC S7-300.
5. Какое количество аналоговых и дискретных каналов способен 
обрабатывать ПЛК Siemens SIMATIC S7-300?

2. АВТОМАТНОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ 
ПРОГРАММИРУЕМЫХ ЛОГИСТИЧЕСКИХ 
КОНТРОЛЛЕРОВ

2.1. Принцип работы ПЛК как конечного 
автомата

Большинство программ управления технологическими процессами используют методику автоматного программирования. При этом 
ПЛК рассматривается как конечный автомат, который при возникновении определенных условий на его входах переводит систему в одно 
из множеств состояний, обеспечивающих заданную управляющую 
команду [1, 4].
Конечный автомат является абстрактным автоматом. Число его 
возможных состояний конечно и результат работы определяется по 
конечному состоянию.
Конечный автомат А задается шестью объектами:

 
( , ,
,
,
,
)
o
A
U Y Q q
=
Φ Ψ , 
(2.1.1)

где 
,
,
u
U y
Y q
Q
∈
∈
∈
;
 
u – входной сигнал;
 
y – выходной сигнал;
 
q – состояние; 
 
U – множество входов;
 
Y – множество выходов;
 
Q – множество состояний; 
 
qo – начальное состояние;
 
y = Ф(q,u) – функция выхода;
 
q = ψ(q,u) – функция состояния.

В зависимости от описания функции выхода y, конечные автоматы 
подразделяются на следующие типы:
 – автоматы Мили (автоматы первого рода), у которых выходная 
последовательность зависит от предыдущего состояния автомата  
q(t – 1) и входных сигналов u(t):

[
]
(
), ( ) ;
1
y
q t
u t
= Φ
−
 
(2.1.2)

– автоматы второго рода, где выходная последовательность зависит от текущего состояния автомата q(t) и входных сигналов u(t):

[
]
( ), ( ) ;
y
q t u t
= Φ
 
(2.1.3)

 – автоматы Мура, где выходная последовательность зависит только от текущего состояния автомата q(t) и не зависит от входных сигналов:

[
]
( ) .
y
q t
= Φ
 
(2.1.4)

Основные модели работы автоматов приведены на рис. 2.1.1 в виде 
графа переходов состояний.
Первая из них реализует последовательное исполнение с возвратом к состоянию q1 (рис. 2.1.1, а), другая – то же самое, но с элементами произвольной выборки (рис. 2.1.1, б), f1, f2, …, fn – функции, описывающие условия переходов.

f1 

Стоп 

Стоп 

f2 

q5 
. . . fn 

q1 
q2 
q3 
qn 
 . . . 

q1 
q2 
q3 
qn 
q0 
q4 

f3 
fn 

u1 

f1 
f2 
f3 
f4 

u1 

f5 
f1 

q0 
а) 

б) 

Рис. 2.1.1. Граф переходов: а – последовательное исполнение;  
б – последовательное исполнение с элементами произвольной выборки

2.2. Вывод функциональных соотношений, 
описывающих работу ПЛК как автомата

При программировании ПЛК часто применяется метод шаговых 
меток [8]. Суть его заключается в смене состояний q0, q1, …, qn при 
наличии условий перехода из текущего состояния qt в следующее состояние qt+1. При этом система не должна находиться одновременно в 
нескольких состояниях.
Если известен алгоритм работы устройства, то в первую очередь 
необходимо составить таблицу, где в первом столбце прописывают

ся все возможные состояния ПЛК q0, q1, …, qn, во втором – соответствующие каждому состоянию операции или управляющие действия 
y1, y2, …, yn, которые обеспечивает контроллер, например, работа исполнительного механизма, в третьем – входные сигналы u1, u2, …, un 
с датчиков, таймеров и т.д. (табл. 2.2.1).
При этом отсутствие/наличие входного и выходного сигналов помечаются соответственно логическими 0/1. Состояние q0 характеризует однозначное начало процесса, при котором q1 = q2 = … = qn = 0, 
y1 = y2 = … = yn = 0, u1 = u2 = … = un = 0. Оно описывается следующим 
характеристическим уравнением:

 
0
1
2
...
,
n
q
q
q
q
=
⋅
⋅
⋅
 
(2.2.1)

т.е. процесс начинается, когда нет ни одного из состояний q1, q2, …, qn.

Таблица 2.2.1
Пример составления таблицы состояний ПЛК

Состояния
Выходы
Входы
y1
y2
…
yn
u1
u2
…
un
q0
0
0
…
0
0
0
…
0
q1
0/1
0/1
…
0/1
0/1
0/1
…
0/1
.
.
.

.
.
.

.
.
.

.
.
.

.
.
.

.
.
.

.
.
.

.
.
.

.
.
.
q2
0/1
0/1
…
0/1
0/1
0/1
…
0/1
qn
0/1
0/1
…
0/1
0/1
0/1
…
0/1

Предпосылкой перехода в состояние q1 является выполнение хотя 
бы одного из условий: 
1) наличие предыдущего состояния q0 и определенных условий на 
входах в виде функции f(u), зависящей от входных переменных u1, u2, 
…, un;
2) наличие конечного состояния qn;
3) наличие самого состояния q1 и отсутствие состояния q2.
Поэтому уравнение для q1 примет вид

 
1
0
1
2
(
)
( )
.
n
q
q
q
f u
q
q
=
∨
⋅
∨
⋅
 
(2.2.2)

Например, если должны одновременно сработать два датчика с 
двоичными сигналами u1 и u2, то функция f(u) будет представлять логическую И: f(u) = u1&u2.
Например, f(u) истинна. В начальный момент запуска программы 
q0 = 1, а qn = 0. В первый такт во время t = 0 сканирования CPU кон