Аппаратные средства и программное обеспечение промышленных контроллеров SIMATIC S7

С. М. Андреев, М. Ю. Рябчиков, Е. С. Рябчикова








АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ SIMATIC S7



Учебное пособие
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 004.42
ББК 32.973
     А65

Рецензенты: заведующий кафедрой электротехники ФГАОУ ВО «Московский политехнический университет» доктор технических наук, профессор Радионов Андреи Александрович;
доцент кафедры электропривода, мехатроники и электромеханики ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)» кандидат технических наук, доцент Басков Сергеи Николаевич




     Андреев, С. М.
А65 Аппаратные средства и программное обеспечение промышленных контроллеров SIMATIC S7 : учебное пособие / С. М. Андреев, М. Ю. Рябчиков, Е. С. Рябчи-кова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 220 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1411-1

          Изложены основные принципы использования, область применения и основы программирования логических контроллеров фирмы Siemens SIMATIC S7-300/400. Рассмотрены вопросы монтажа модулей, подключения внешних цепей и использования интегрированного программного пакета SIMATIC MANAGER. Изучается базовый набор языков программирования STEP 7, включающий языки контакторного плана (LAD) и списка операторов (STL). Рассматриваются операции релейной логики, работы с целыми и вещественными величинами, а также использования различных типов программных блоков, включая блоки данных, системные функции и блоки, входящие в стандартную библиотеку.
          Для студентов, обучающихся по укрупненным группам специальностей 15.00.00 «Машиностроение» и 27.00.00 «Управление в технических системах» уровней бакалавриата и магистратуры для изучения дисциплин, связанных с применением интегрированных систем проектирования и управления для построения управляющих систем на базе промышленных контроллеров.

УДК 004.42
ББК 32.973







ISBN 978-5-9729-1411-1

             © Андреев С. М., Рябчиков М. Ю., Рябчикова Е. С., 2023
             © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                                    © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

            ОГЛАВЛЕНИЕ



Введение...............................................................6

Глава 1. Структура интегрированной системы управления SIMATIC S7-300/400.....................................................8
1.1. Уровневая модель системы автоматизации SIMATIC....................8
1.2. Полевой уровень - уровень датчиков и исполнительных устройств....9
1.3. Уровень управления (уровень контроллеров)........................13
1.4. Уровень человеко-машинного интерфейса и диспетчерского управления (уровень SCADA).......................................................15
Вопросы для самостоятельной подготовки................................20

Глава 2. Аппаратные средства контроллеров Simatic S7..................21
2.1. Серии программируемых логических контроллеров семейства S7.......21
2.2. Общая структура микропроцессорного контроллера SIMATIC S7 300/400 ....23
2.3. Процессорные модули (CPU)........................................29
  2.3.1 . Технические характеристики процессорных модулей.............29
  2.3.2  . Виртуальная структура процессорного модуля.................37
  2.3.3  Организация и обработка программы............................41
  2.3.4  Программные блоки процессорного модуля.......................43
2.4. Сигнальные модули................................................45
  2.4.1. Назначение и принцип работы сигнальных модулей...............45
  2.4.2. Типы сигнальных модулей......................................47
  2.4.3. Монтаж сигнальных модулей....................................49
  2.4.4. Схемы внешних соединений сигнальных модулей различных типов..51
Вопросы для самостоятельной подготовки................................63

Глава 3. Настройка и программирование технологических контроллеров SIMATIC S7............................................................64
3.1. Основные понятия языка технологического программирования STEP....64
3.2. Слово состояния. Результат логической операции (RLO).............69
3.3. Скобочные операции. Скобочный стек. Действия И перед ИЛИ.........73
3.4. Создание проекта в пакете Simatic Manager........................75
  3.4.1. Последовательность операций создания нового проекта..........75
  3.4.2. Порядок создания проекта.....................................75
  3.4.3. Конфигурирование аппаратной части............................77
  3.4.4. Заполнение таблицы символов..................................80
  3.4.5. Редактирование программой части проекта......................80
  3.4.6. Загрузка и отладка проекта...................................82
Задание на самостоятельную работу.....................................84
Самостоятельная работа № 1. «Конфигурирование станции»................84
Вопросы для самостоятельной подготовки................................85


3

Глава 4. Программирование элементарных логических операций на языке технологического программирования STEP 7....................86
4.1. Таблицы истинности комбинаторных схем...........................86
4.2. Особенности реализации комбинаторной переключательной схемы наязыке LAD..........................................................89
4.3. Использование отдельных бит маркерной памяти при реализации комбинаторных схем...................................................90
4.4. Катушки с памятью. Триггеры.....................................95
4.5. Команды выделения фронта.......................................100
Задание на самостоятельную работу...................................104
Самостоятельная работа № 2. Синтез комбинаторной схемы по заданной таблице истинности......................................104
Самостоятельная работа № 3. Разработка программы для управления слябовой тележкой...................................................105
Самостоятельная работа № 4. Реализация последовательности шагов в комбинаторной схеме...............................................105
Самостоятельная работа № 5. Реализация многотактной схемы по заданной диаграмме включений.....................................106
Вопросы для самостоятельной подготовки..............................106

Глава 5. Программирование операций с многобитными величинами.........108
5.1. Команды работы с аккумулятором процессора......................108
5.2. Команды реализации счетчиков....................................115
5.3. Команды работы с таймерами.....................................119
5.4. Команды над числовыми величинами................................125
  5.4.1. Команды арифметических операций............................126
  5.4.2. Математические функции.....................................127
  5.4.3. Функции сравнения..........................................128
  5.4.4. Функции побитового сдвига..................................129
  5.4.5. Функции преобразования форматов............................131
  5.4.6. Функции поразрядных логических операций....................134
Задание на самостоятельную работу...................................137
Самостоятельная работа № 6. Перемещение данных в аккумуляторах процессора..........................................................137
Самостоятельная работа № 7. Реализация многотактных схем с использованием счетчиков..........................................138
Самостоятельная работа № 8. Изучение работы таймеров и реализация временных зависимостей..............................................138
Самостоятельная работа № 9. Работа с математическими функциями......143
Вопросы для самостоятельной подготовки..............................143

Глава 6. Структурное программирование...............................145
6.1. Назначение структурного программирования.......................145
6.2. Блоки данных...................................................146
  6.2.1. Создание глобальных блоков данных..........................147
  6.2.2. Создание экземплярных блоков данных........................148
  6.2.3. Адресация данных...........................................148

4

6.3. Функции и функциональные блоки...............................149
6.4. Организационные блоки (блоки ОВ).............................155
  6.4.1. Стартовые организационные блоки (ОВ100 - ОВ102)...........157
  6.4.2. Прерывания по времени дня (ОВ10 - ОВ17)..................158
  6.4.3. Циклические прерывания (ОВ30 - ОВ38).....................158
  6.4.4. Прерывание от аппаратуры (ОВ40 - ОВ47)....................160
  6.4.5. Прерывание с задержкой (ОВ20 - ОВ23)......................161
  6.4.6. Прерывания асинхронных ошибок (ОВ80 - ОВ87)...............163
  6.4.7. Прерывания синхронных ошибок..............................164
6.5. Стандартные библиотеки. Использование системных функций......165
  6.5.1. Системные функции и функциональные блоки (System Function В1оскз)........................................166
  6.5.2. Использование системных блоков...........................169
6.6. Использование мультиэкземплярной модели данных для организации программы управления однотипными объектами........................176
6.7. Стандартные блоки ПИД-регулятора..............................182
  6.7.1. Структура контура управления с ПИД-регулятором. Основные особенности и характеристики...........................183
  6.7.2. Взаимодействия элементов реализации регулятора............187
  6.7.3. Структура регулятора.....................................189
Задание на самостоятельную работу.................................194
Самостоятельная работа № 10. Программирование функций и функциональных блоков...........................................194
Самостоятельная работа №11. Реализация организационных блоков обработки прерываний..............................................194
Самостоятельнаяработа№ 12. Использование системных функций........196
Самостоятельная работа №13. Использование мультиэкземплярной модели данных для организации программы управления однотипными объектами.198
Вопросы для самостоятельной подготовки............................199

Приложения........................................................200
Приложение 1......................................................200
Приложение 2......................................................206
Приложение 3......................................................210
Приложение 4......................................................211
Приложение 5......................................................213
Приложение 6......................................................214

Список используемых источников....................................215

    ВВЕДЕНИЕ


    Современные системы управления технологическими процессами и производствами в подавляющем большинстве случаев оснащаются программируемыми логическими контроллерами (ПЛК, Program Logic Controller - PLC), которые решают одновременно несколько задач: сбор данных с датчиков процесса, формирование управляющих воздействий в соответствии с заданным алгоритмом, обмен данными по цифровым интерфейсам связи с верхним уровнем управления. Решение перечисленных задач производится с использованием программного обеспечения контроллеров, основу которого составляют языки технологического программирования для логических контроллеров, описываемых стандартом МЭК 6-1131/3 [1, 2].
    Развитые средства коммуникаций современных ПЛК, широкий функционал программных средств позволяет строить разнообразные системы управления и реализовать алгоритмы управления, используя только программные средства, а миниатюрность и дешевизна контроллеров позволила интегрировать их абсолютно во все процессы промышленного производства, начиная от основного процесса получения продукта и заканчивая вспомогательными (сервисными) процессами обслуживания.
    Одним из крупнейших производителей ПЛК является концерн Siemens, выпускающий семейство технологических контроллеров и средств автоматизации под торговой маркой SIMATIC, которая широко известна во всем мире как синоним программируемых логических контроллеров. Сегодня под именем SIMATIC представлены полностью интегрированные системы автоматизации (Totally IntegratedAutomation).
    Такие интегрированные системы представляют качественно новый метод унификации систем автоматизации мирового производства и технологии, в котором аппаратные и программные средства управления сливаются в единую систему SIMATIC.
    Широкая номенклатура технических средств автоматизации, входящих в это семейство, позволяет создавать приемлемые по стоимости системы -от простейших (два-три входа/выхода) до систем управления целыми производствами.
    Интегрированные системы семейства SIMATIC Totally Integrated Automation включают в себя:
      • системы автоматизации SIMATIC S7 и SIMATIC C7;
      • системы распределенного ввода-вывода SIMATIC DP;
      • промышленное программное обеспечение SIMATIC MANAGER;
      • программаторы SIMATIC PG;
      • промышленные компьютеры SIMATIC PC;
      • системы компьютерного управления SIMATIC WinAC;

6

      • человеко-машинный интерфейс SIMATIC HMI WinCC;
      • средствасвязиSIMATICNET;
      • системы управления производственными процессами SIMATIC PCS.
    В настоящем учебном пособии будут рассмотрены средства построения систем автоматизации, в частности, базовые программируемые логические контроллеры семейств SIMATIC S7-300/400, программное обеспечение SIMATIC MANAGER и основы программирования микропроцессорных логических контроллеров на базовых языках технологического программирования семейства STEP 7.
    Базовые контроллеры семейства SIMATIC S7 имеют модульную конструкцию, что обеспечивает подбор таких модулей, свойства которых в наиболее полной мере отвечают задачам автоматизации конкретного технологического объекта. Все контроллеры, входящие в семейство SIMATIC, несмотря на конструктивные различия, объединены единой идеологией работы, эксплуатации и программирования. Это достигается за счет единого программного обеспечения, реализующего язык технологического программирования STEP 7. Единый пакет программ Simatic Manager позволяет разработать управляющую программу для любого базового контроллера, данного семейства, выполнить отладку программы с помощью встроенных средств, произвести документацию разработанного проекта, оперативно вносить в него изменения.
    Эффективному применению контроллеров способствует возможность использования нескольких типов центральных процессоров различной производительности, наличие широкой гаммы модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, функциональных модулей и коммуникационных процессоров.
    Возможность сетевых коммуникаций позволяет создавать распределенные системы управления производствами и интегрироваться в системы управления верхнего уровня - системы диспетчеризации и визуализации управления - SCADA системы.
    В данном учебном пособии изложены основные элементы аппаратного и программного обеспечения контроллеров SIMATIC семейств S7 300/400. Дано назначение, описание и характеристики модулей контроллера, изложен порядок работы с программным обеспечением Simatic Manager, приведен список основных команд языков программирования Lader Diagramm (LAD) и Statament List (STL), их работа, приведены примеры использования команд и типовых программных конструкций.
    Учебное пособие может быть полезно как студентам для получения начальных знаний по использованию и программированию микропроцессорных контроллеров SIMATIC, так и инженерам служб автоматизации, осуществляющим наладку и обслуживание систем промышленной автоматики.

7

            ГЛАВА1. СТРУКТУРА ИНТЕГРИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ SIMATIC S7-300/400


    1.1. Уровневая модель системы автоматизации SIMATIC

    Сложность технологических процессов, требование к безопасности ведения процесса для технологического персонала, а также требования к конечной стоимости системы автоматизации, включая стоимость владения, привели к тому, что большинство фирм производителей оборудования для автоматизации технологических процессов начали разрабатывать и внедрять комплексные (интегрированные) решения по автоматизации всего процесса в целом, начиная от средств получения информации и реализации управляющих воздействий - датчиков и исполнительных устройств - до средств человекомашинного интерфейса и диспетчерского управления процессом, объединенные единой средой передачи информации. Применение единых стандартов и типовых решений в проектировании такой интегрированной системы позволяет снизить издержки на разработку, внедрение и обслуживание системы в целом, а комплексная подготовка специалистов из обслуживающего персонала позволяет сократить сроки ремонтов оборудования и его настройку на процесс.
    Проекты автоматизированных систем контроля и управления для большого спектра областей применения технических средств SIMATIC позволяет выделить обобщенную схему их реализации, представленную на рис. 1.1.
    На нижнем (полевом) уровне - уровне управляемого процесса - располагаются интеллектуальные датчики и исполнительные устройства. Основное назначение полевого уровня - объединение всех сигналов устройств, расположенных непосредственно на объекте управления. В качестве среды передачи информации используются промышленные сети протоколов AS-Interface и PROFIBUS-DP.
    Средний уровень интегрированной системы представлен программируемыми логическими контроллерами SIMATIC, реализующими основные алгоритмы управления локальными контурами отдельных элементов технологического процесса. Получая данные с датчиков полевого уровня по промышленной сети PROFIBUS, программируемые контроллеры формируют сигналы управления исполнительными устройствами, которые передаются на нижний уровень также по сети PROFIBUS.
    Вся информация с управляющих контроллеров передается на систему верхнего уровня, реализующего функции визуализации процесса и человекомашинного интерфейса. Этот уровень реализован с использованием средств SIMATIC HMI. Передача данных на этот уровень осуществляется с использованием сетей PROFIBUS и Ethernet.

8

Рис. 1.1. Обобщенная схема уровневой модели автоматизации с использованием средств SIMATIC

    Отдельно можно выделить уровень средств разработки, которые позволяют осуществить настройку контроллеров, включая их программирование, разработку интерфейсов оператора, «привязку» адресов сигналов с датчиков и на исполнительные устройства к адресам контроллера, через которые производится обработка сигналов процессора.




    1.2. Полевой уровень - уровень датчиков и исполнительных устройств

    Для передачи сигналов от датчиков используется интерфейс цифровой связи AS-Interface (ASI). Интерфейс ASI является коммуникационной системой, предназначенной для использования на самом нижнем уровне иерархии промышленного автоматизированного комплекса. Как правило, по интерфейсу ASI передаются сигналы от дискретных датчиков (концевые, путевые выключатели, датчики предельных значений и т. д.), однако существует и спецификация интерфейса для передачи аналоговых сигналов.
    В настоящее время в SIEMENS SIMATIC реализована спецификация интерфейса v.2.1, что позволяет подключать различные типы устройств - дискретные и аналоговые датчики и исполнительные устройства. В качестве кабеля для передачи данных и напряжения питания используется плоский двухпроводной кабель. Если требуется подвести дополнительное питание к дат

9

чику или исполнительному устройству, то дополнительно используется второй плоский двухпроводной кабель.
     В качестве примера схемы соединений полевого уровня, на рис. 1.2 показана структурная схема подключения технических средств.



Рис. 1.2. Пример схемы подключения устройств полевого уровня с использованием AS-интерфейса

     AS-интерфейс является открытым интерфейсом и построен как интерфейс с ведущим устройством. Это означает, что в сети AS-интерфейса присутствует одно единственное ведущее устройство, которое управляет обменом данными. Это устройство опрашивает поочерёдно все ведомые устройства AS-i одно за другим, ожидая от каждого ответ. Время цикла опроса не превышает 5 мс. Ведущее устройство также контролирует напряжение на кабеле, а также передаваемые данные. Оно распознаёт ошибки передачи и выход из строя ведомых устройств и передаёт сообщение на PLC.



10

    Ведущее устройство поддерживает адресацию к 31 ведомому устройству. Каждый модуль должен иметь уникальный адрес в сети. Для AS-Interface адресное пространство имеет диапазон от 0 до 31, где 0 не может быть использован, он зарезервирован для автоматической замены одного узла. После принятия спецификации 2.11 это адресное пространство делится на две группы расширенных адресов, обозначаемых А и В. В результате, используя модуль, предназначенный для поддержки этого режима адресации, возможно в сети иметь два модуля по каждому адресу. За счет модулей с расширенной адресации возможно подключение до 62 ведомых устройств.
    Адрес ведомого устройства AS-интерфейса является его идентификатором. Присвоение адреса происходит в системе AS-интерфейса только один раз. Установку адреса можно выполнить либо с помощью специального модуля задания сетевых адресов, либо с помощью ведущего устройства AS-интерфейса. Адрес постоянно хранится в ведомом устройстве. При изготовлении в устройство по умолчанию всегда записывается адрес «0».
    В качестве ведомых устройств могут выступать как интеллектуальные устройства с AS-интерфейсом, так и специальные расширители с AS-интерфейсом, которым могут быть подключены до 4 стандартных датчиков и исполнительных устройств.
    Для построения сети передачи данных AS-интерфейса используются следующие технические средства:
      1. Ведущее устройство AS-интерфейса.
      2. Ведомые устройства AS-интерфейса, которые, в зависимости от конструкции, разделяются на следующие устройства:
          а) модули AS-интерфейса;
          б) датчики/исполнительные механизмы со встроенным AS-интерфейсом.
      3. Кабель AS-интерфейса.
      4. Блок питания AS-интерфейса.
      5. Прибор для задания адресов.
      6. Программа для параметризации AS-интерфейса и задания адресов ведомым устройствам.
    В качестве кабеля AS-интерфейса используется специальный плоский кабель 2x1,5 мм². По одному кабелю передаются одновременно и данные, и напряжение питания. Профиль кабеля не позволяет произвести ошибочное подключение и нарушение полярности. Если для исполнительного требуется большая мощность, то используется дополнительный источник питания, напряжения от которого передается по дополнительному кабелю.
    Подключение модулей AS-интерфейса осуществляется методом прокалывания изоляции оболочки кабеля. Острые контакты в виде игл прорезают резиновую изоляцию кабеля и соприкасаются с обеими жилами. В результате достигается хороший контакт и гарантируется надежная передача данных. Такой метод подключения позволит исключить разрывы кабеля, с кабеля не требуется удалять изоляцию или использовать клеммно-блочные соединители.

11

При отключении устройств от AS-интерфейса и извлечении контактов из кабеля оболочка восстанавливается, прорезанные в изоляции отверстия затягиваются.
    Длина одного сегмента AS-интерфейса от ведущего устройства не должна превышать 100 м. Если требуется удлинить сегмент, то для этой цели используются повторители. Которые добавляют сегмент длиной 100 м. Максимальная суммарная длина всех сегментов не должна превышать 300 м.
    В качестве ведущих устройств для систем автоматизации, построенных на базе SIMATIC S7-300, используются модули СР 342-2 и СР 343-2. Для организации прямой передачи данных между сетями ASI и PROFIBUS DP могут использоваться шлюзы, например DP/ASI Link 20Е.
    Пример структуры сети со шлюзом представлен на рис. 1.3. Шлюз организует передачу данных сети интерфейса AS-I в сеть уровня контроллеров -сеть PROFIBUS DP.


Рис. 1.3. Пример конфигурации системы передачи данных из сети полевого уровня AS-I в сеть уровня контроллеров -сеть PROFIBUS DP

    Внешний вид ведущих устройств CP 342-2 и DP/ASI Link 20Е, а также ведомого устройства AS-i показан на рис. 1.4.
    Существуют модули и для систем, построенные на базе других средств. Например, для системы сбора информации, построенной на базе персонального компьютера, в качестве ведущего устройства AS-интерфейса используется специальная коммуникационная плата CP 2413. Сигналы датчиков полевого уровня


12

могут быть использованы для обработки как в персональном компьютере, так и переданы в другие сети передачи данных. Пример организации передачи данных с использованием коммуникационной платы СР 2413 показан на рис. 1.5.


Рис. 1.4. Внешний вид устройств, выступающих в качестве ведущих AS-интерфейса: а - шлюз DP/ASI Link 20Е; б - модуль коммуникационного процессора CP 342-2 и в качестве ведомого AS-I;
в - модуль дискретного ввода/вывода К45

Рис. 1.5. Пример конфигурации системы сбора и передачи данных из сети AS-i с использованием персонального компьютера


    1.3. Уровень управления (уровень контроллеров)

    Уровень управляющих контроллеров - основной уровень всей системы автоматизации технологического процесса. Сигналы с датчиков передаются в программируемые логические контроллеры (ПЛК - PLC), обрабатываются по заданным алгоритмам, и формируется управляющий сигнал на исполнительные устройства.


13