Программное обеспечение для систем автоматизации технологических процессов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

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

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

 

Кафедра автоматики и управления в технических системах

Н.В. Осипова 
 
 

Программное обеспечение
для систем автоматизации  
технологических процессов 

Учебное пособие 

Лабораторный практикум 
для студентов направления 220201 – «Управление в технических 
системах»; профиль 220401 – «Управление и информатика  
в технических системах» 

 

Москва  2015 

УДК 62-503.5 
 
 

Р е ц е н з е н т ы  
ведущий специалист НИИВК им. М.А. Карцева,  
канд. техн. наук С.Е. Бабаков; 
НИТУ «МИСиС», канд. техн. наук, доцент каф. ИСО Б.Ф. Коньшин 

Осипова, Н.В.  
 
 
Программное обеспечение для систем автоматизации технологических процессов (лабораторный практикум и конспект 
лекций) для студентов специальности 220201 – «Управление и 
информатика в технических системах»: учебное пособие. – М.: 
Изд. Дом МИСиС, 2014. – 75 с. 

Изложены основные теоретические материалы по дисциплине «Программное обеспечение для систем автоматизации технологических процессов». Пособие включает в себя лабораторный практикум, состоящий из девяти лабораторных работ. В пособии рассмотрены основные задачи, возникающие при написании программ для промышленных логических контроллеров Siemens Simatic S7-300, использующих среду программирования 
STEP7: тип и адресация данных, логические и математические операции, 
таймеры, счетчики импульсов, функции передачи данных. Также рассмотрены принципы программирования регуляторов непрерывного управления. 
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 
220400 – «Управление в технических системах», профиль 220401 «Управление 
и информатика в технических системах» и студентов других технических специальностей, изучающих дисциплины по автоматизации и управлению. 

 
© Н.В. Осипова, 2015 

СОДЕРЖАНИЕ 

Предисловие .............................................................................................. 4 
Лабораторная работа № 1 ........................................................................ 7 
Тема: ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И АДРЕСАЦИИ ПЛК SIEMENS ... 7 
Лабораторная работа № 2 ...................................................................... 15 
Тема: ЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ ...................................................... 15 
Лабораторная работа № 3 ...................................................................... 22 
Тема: МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ .......................................... 22 
Лабораторная работа № 4 ...................................................................... 28 
Тема: ОСНОВНЫЕ БЛОКИ ДАННЫХ ................................................ 28 
Лабораторная работа № 5 ...................................................................... 34 
Тема: ТАЙМЕРЫ И ГЕНЕРАТОРЫ ИМПУЛЬСОВ .......................... 34 
Лабораторная работа № 6 ...................................................................... 41 
Тема: СЧЕТЧИКИ ИМПУЛЬСОВ ........................................................ 41 
Лабораторная работа № 7 ...................................................................... 45 
Тема: СЛОЖНЫЕ ТИПЫ ДАННЫХ .................................................... 45 
Лабораторная работа № 8 ...................................................................... 53 
Тема: ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ ................................................................ 53 
Лабораторная работа № 9 ...................................................................... 61 
Тема: РЕГУЛЯТОРЫ НЕПРЕРЫВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ................ 61 
Библиографический список ................................................................... 74 

Предисловие 

Данное учебное пособие по дисциплине «Программное обеспечение для систем автоматизации технологических процессов» содержит лабораторные работы с вариантами индивидуальных заданий 
(кроме работы № 1), контрольные вопросы для самопроверки, задания для защиты выполненных лабораторных работ. 
Содержание лабораторного практикума: 
Лабораторная работа № 1 – «Изучение структуры и адресации 
ПЛК SIEMENS». Эта работа позволяет изучить структуру контроллера Siemens, научиться производить конфигурацию центральной 
стойки и задавать адреса в его системной памяти. 
Лабораторная работа № 2 – «Логические операции» позволяет 
научиться программировать логические функции в ПЛК Siemens на 
основе заданной таблицы состояний и проверять эти состояния при 
помощи симулятора работы контроллера S7-PLCSIM. 
Работа № 3 – «Математические операции». Изучаются основы 
программирования тригонометрических, логарифмических функций, 
функций преобразования форматов чисел и сравнения. 
В лабораторной работе № 4 – «Основные блоки данных» отводится большое внимание программированию функциональных блоков и 
функций. 
В работе № 5 – «Таймеры и генераторы импульсов» показаны основные принципы написания программ, реализующих работу генераторов импульсов, построенных на основе таймеров, с различными 
параметрами. 
Работа № 6 – «Счетчики импульсов». Рассмотрен принцип работы 
различных типов счетчиков с использованием ручной и автоматической подачей на вход счетных импульсов. 
Лабораторная работа № 7 – «Сложные типы данных». Работа позволяет освоить принцип программирования структур и массивов, 
производить адресацию переменных этих блоков и операции над 
ними. 
Лабораторная работа № 8 – «Передача данных». Эта работа может 
быть полезна для того, чтобы научиться перемещать и копировать переменные из системной памяти контроллера, а также данные блоков. 
В лабораторной работе № 9 – «Регуляторы непрерывного действия» показаны основные принципы настройки регуляторов непре

рывного управления с помощью встроенной в Simatic Manager системы автоматической настройки. 
Защита лабораторных работ и промежуточный контроль знаний 
по дисциплине проводится с помощью устного опроса. 
Контроль знаний каждого студента проводится по индивидуальным заданиям преподавателя. 
Результаты контроля учитываются на зачете. 
Содержание дисциплины и общие требования к выполнению 
и защите лабораторных работ и оформлению отчетов по ним: 
• Лекции в шестом семестре: 2 часа в неделю, лабораторные работы – 2 часа в неделю. 
• Не допускаются прогулы и опоздания на лекции. 
• После прохождения темы проводится промежуточный контроль 
знаний (устный опрос) за 5 – 10 минут до окончания лекции. Пропуски занятий по неуважительной причине приравниваются к неудовлетворительной оценке. 
• Каждая лабораторная работа после ее выполнения защищается 
на следующем занятии в течение 10 минут при наличии отчета, которым можно пользоваться при защите. Если отчет оформлен правильно и оценка при защите положительна, то лабораторная работа засчитывается с оценкой, средней от оценки по оформлению работы и 
оценки по защите. 
• Отчет по каждой лабораторной работе оформляется студентом 
на листе формата А4 гарнитурой Times New Roman, шрифт 12 или 14 
через 1 интервал, с выравниванием по ширине. 
• Вариант индивидуального задания в каждой лабораторной работе (кроме работы № 1) определяется номером записи студента в 
журнале преподавателя. 
• Титульный лист отчета по лабораторным работам оформляется 
в соответствии с рис. 1. 

Рис. 1. Образец титульного листа для оформления отчета 
по лабораторной работе 

 
 
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 
Национальный исследовательский технологический 
университет МИСИС 
 
Кафедра автоматики и управления в технических системах 
 
 
 
 
 
 
 
 
Отчет 
по лабораторной работе №___ 
(название лабораторной работы) 
по дисциплине 
«Программное обеспечение  
для систем автоматизации технологических процессов» 
 
 
 
 
Выполнил 
студент группы АУ-__-__ 
ФИО студента 
Принял: 
ст. преп. Осипова Н.В. 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 2014 

Лабораторная работа № 1 

Тема: ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И АДРЕСАЦИИ 
ПЛК SIEMENS 

 
1. Цель работы: изучить структуру контроллера Siemens, научиться производить конфигурацию центральной стойки и задавать 
адреса в его системной памяти. 
2. Используемое оборудование: компьютеры с ОС не ниже Windows 7, программным пакетом STEP7 V5.5 для программирования контроллеров серии Siemens Simatic S7-300, симулятором S7-PLCSIM. 
3. Теоретические сведения. Программируемый логический контроллер Siemens Simatic S7-300 находит широкое применение при 
автоматизации производственных процессов низкой и средней степени сложности. С его помощью выполняются как простые логические функции, например включить/выключить оборудование, сигнализировать о неисправности, так и сложные – управление исполнительными механизмами, приводящими в движение клапаны, задвижки, осуществление сбора информации с датчиков и т.д. 
Структура контроллера Siemens показана на рис. 1.1 [3 – 5, 9 – 12, 
14, 15]. 

 

Рис. 1.1. Структура ПЛК Siemens 

Он включает следующие модули: 
а) модуль источника питания (PS), обеспечивающий питание контроллера от сети переменного напряжение или от источника постоянного тока. Чаще всего применяются источники PS 307 2А, 
PS 307 5А, PS 307 10А с номинальным током нагрузки 2 А, 5 А, 10 А 
соответственно; 
б) модуль центрального процессора (CPU) предназначен для хранения и обработки программ, созданных пользователем. Например, 

SF 
BF 
DC5V 
FRCE 
RUN

SIEMENS 

PS
CPU
IM 
SM, FM, CP

  слот 1                       слот  2 
            слот 3 слот 4 слот 5
слот 11
………………………………..

серии CPU-312 – CPU319 без поддержки децентрализованной периферии, CPU-313C-2DP, CPU-314C-2DP с поддержкой децентрализованной периферии, CPU-314C-2PtP с поддержкой протокола «точка – 
точка» и др. 
в) интерфейсный модуль (IM) используется для подключения к 
контроллеру стоек расширения. Имеет обозначение IM-360, IM-361, 
IM-365 и т.д. 
г) сигнальные модули (SM) используются для ввода/вывода аналоговых и/или дискретных сигналов, адаптации системных сигналов к 
внутреннему уровню сигналов. Пример: DI32×DC24V – модуль дискретного ввода (DI – digital input – дискретный вход) с 32 цифровыми 
входами 
с 
номинальным 
постоянным 
напряжением 
24 В; 
DО32×АC120V/1А – модуль дискретного вывода (DO – digital output – 
дискретный выход) с 32 цифровыми выходами и номинальным переменным напряжением 120 В, током 1 А; DI8/DO8×DC24V/0,5 А – модуль может быть предназначен как для ввода, так и для дискретного 
вывода, имеет 8 цифровых каналов, номинальное постоянное напряжение 24 В и ток 0,5 А. 
Аналоговые модули имеют следующее обозначение AI8-12 bit – 
аналоговый модуль ввода на 8 каналов с разрешающей способностью 
12 битов; AО4-16 bit – аналоговый модуль вывода на 4 канала с разрешающей способностью 16 битов, AI4/AO2×8/8bit– аналоговый модуль на 4 входа и 2 выхода, разрешающая способность – 8 битов. 
д) функциональные модули (FM) выполняют обработку сигналов 
независимо от CPU, самостоятельно решают задачи автоматического 
регулирования, позиционирования, обработки сигналов. Их обозначение FM-350-1, FM-350-2, FM-351, FM-352, FM-353, FM-354 и т.д. 
е) коммуникационные процессоры (СР) применяются для установки соединений с подсетями Profibus, Ethernet и т.д. Обозначаются 
СР-340, СР-341, СР-342, СР-343 и т.п. 
Все вышеперечисленные модули расположены в слотах (см. рис. 1.1). 
В слот 1 установлен источник питания, в слот 2 – CPU, слот 3 резервируется для IM. В слоты с 4 по 11 можно размещать функциональные, сигнальные модули и коммуникационные процессоры. 
При принятии и выдаче дискретных или аналоговых данных контроллер должен их «распознать». Для этого при программировании 
необходимо указывать специальные адреса. В служебной памяти 
контроллера создается копия состояния его портов – образ процесса. 
Начиная со слота 4 каждый канал имеет определенный адрес. В случае 
если модуль является дискретным, то адресация имеет вид Ix.y. Эти дан

ные относятся к типу BOOL. I означает, что сигнал является входным, 
Х – номер байта, У – номер бита. В каждом слоте может быть 2 или 
4 байта. Если сигнал выходной, то обозначение заменяется на Qx.y. Например, если слот 4 является модулем дискретного ввода, то его первые 8 
каналов будут иметь I0.0, I0.1…I0.7, вторые 8 – I1.0, I1.1…I1.7 и т.д. Первые восемь каналов 5 слота имеют адреса – I4.0, I4.1…I4.7, вторые – I5.0, 
I5.1…I5.7. Если эти модули являются модулями выхода, то I заменяется на Q (рис. 1.2). 

 

Рис. 1.2. Адресация модулей ввода/вывода ПЛК Siemens 

Для считывания величин, которые принимают значения более 
1 бита, используется другая адресация, работающая с иным типом 
данных. К ним относятся следующие простые типы: BYTE, CHAR, 
WORD, INT, DINT, REAL, DWORD, S5TIME, TIME, DATE, TIME 
OF DAY. Например, для считывания данных типа «целое» INT используются аналоговые модули, в которых адресация начинается с 
256 байта. Каждый канал занимает 2 байта. Т.е., если в слот 4 поместить аналоговый модуль ввода/вывода, то адрес первого канала будет 
обозначаться IW256, QW256 и т.д. Следующий канал этого модуля 
будет иметь адрес IW258 или QW258 и т.д. (см. рис. 1.2). 256 и 258 
являются адресами младшего байта информации, занимающей 
2 байта. 
Для считывания величин, занимающих в памяти больше, чем 
«слово», применяется тип данных «двойное слово», для которого резервируется 4 байта памяти с адресацией IDx, QDx и т.д., где x – адрес младшего байта величины, занимающей 4 байта. 

I0.0(Q0.0) 
I0.1(Q0.1) 
 . 
 . 
 . 
 . 
I0.7(Q0.7) 

 
I1.0(Q1.0) 
I1.1(Q1.1) 
 . 
 . 
 . 
 . 
I1.7(Q1.7) 

I4.0(Q4.0)
I4.1(Q4.1) 
 . 
 . 
 . 
 . 
I4.7(Q4.7) 

 

I5.0(Q5.0) 
I5.1(Q5.1) 
 . 
 . 
 . 
 . 
I5.7(Q5.7) 

0
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
 
0 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7

0
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
  
0 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7

IW256(QW256)
IW258(QW258) 
 . 
 . 
 . 
 . 
IW270(QW270) 

  
  

0
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
  

  

IW272(QW272)
IW274(QW274)

 . 
 . 
 . 
 . 

IW286(QW286)

0
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
  

  

Дискретные модули 
ввода/вывода 
Аналоговые модули 
ввода/вывода 

слот 4
слот 5
слот 4
слот 5

В табл. 1.1 приведен перечень этих типов с разрядностью, диапазоном, примером адресации и описанием. 

Таблица 1.1 

Основные типы данных, используемые при программировании Siemens 

Тип  
данных 

Разрядность, 
бит 
Диапазон 
Адресация 
Пример 
адресации 
Описание 

BOOL 
1 
0 или 1 
Ix.y, Mx.y, 
Qx.y и др. 
I1.2 
Бит данных 

BYTE 
8 
0÷255 
IBx, MBx, 
QBx, PIBx, 
PQBx и др. 

IB256 
Байт данных 

CHAR 
8 
- 
-//- 
-//- 
Символ ASCII 

WORD 
16 
0÷65535 
IWx, MWx, 
QWx, 
PIWx, 
PQWx и др. 

PIW256 
Слово данных 
(число  
без знака) 

INT 
16 
-32768÷32767 
-//- 
-//- 
Целое число 
со знаком 

S5TIME 
16 
- 
-//- 
-//- 
Значение 
времени 
в формате 
Simatic 

DATE 
16 
1990-01-01÷ 
2168-12-31 
-//- 
-//- 
Дата 

DINT 
32 
-2147483648 
÷2147483647 
IDx, MDx, 
QDx, PIDx, 
PQDx и др. 

MD12 
«Двойное» 
целое число 
со знаком 

REAL 
32 
±2.9e39÷±1.7e38 
-//- 
-//- 
Вещественное 
число  
с плавающей 
точкой 

DWORD 
32 
0÷429496729
5 
-//- 
-//- 
«Двойное» 
слово данных 
(число  
без знака) 

TIME 
32 
- 
-//- 
-//- 
Значение 
времени в 
формате IEC 

TOD 
32 
00:00:00.000÷ 
23:59:59.999 
-//- 
-//- 
Время суток 

TIMER 
16 
- 
Tx 
T1 
Таймер 

COUNTER 
16 
- 
Cx 
C1 
Счетчик 

Помимо косвенного обращения через образ процесса I, Q можно 
напрямую обращаться к периферийным портам аналогового вво

да/вывода, добавляя букву «Р», например PIW256, PQW256. В случае 
считывания из образа процесса данные считываются только один раз 
и в начале цикла сканирования, а в случае прямого обращения – несколько раз за цикл, что является преимуществом при считывании 
быстро меняющихся аналоговых величин. Однако в первом варианте 
чтение из области I, Q происходит быстрее, чем из PIW, PQW. 
Помимо памяти входов и выходов образа процесса и периферийных входов/выходов существует область битовой (меркерной) памяти (М) как управляющее реле для хранения промежуточных результатов операций или другой управляющей информации, область памяти таймеров (Т) для отсчета временных интервалов и счетчиков 
(С) – для подсчета импульсов. Примеры объявления этих типов переменных приведены также в табл. 1.1 [5]. 
4. Пример 
Сконфигурировать аппаратную часть контроллера Siemens в программе STEP7. Задать произвольную адресацию следующих типов 
данных: 
1. Входной бит; 
2. Выходной бит; 
3. Число с плавающей точкой в меркерной области; 
4. Таймер; 
5. Дата; 
6. Входное слово данных; 
7. Выходное слово данных. 
Предусмотреть, чтобы области памяти этих типов данных не пересекались. 
Запустим приложение Simatic Manager, щелкнув на «рабочем столе» значок  
. 
Автоматически откроется STEP7 WIZARD: «New Project» для 
создания нового проекта. Далее: нажать кнопку «Next», в верхней 
части появившегося окна выбрать тип процессора, например CPU-314. 
Затем выполнить команды в следующей последовательности: 
«Next»→выбрать язык программирования FBD → «Next» → ввести 
имя проекта английскими буквами → «Finish». В появившемся окне, 
где слева отображается структура проекта, нужно выделить надпись 
Simatic 300 Station, справа щелкнуть на «Hardware». 
В правой части открывшегося окна в каталогах Simatic 300 → 
PS300 выделим левой кнопкой мыши источник питания, например 
PS 307 5A, и перетащим в слот 1 левой части в стойку с номером 
(0)UR. Поскольку входной и выходной бит относятся к дискретным