Микропроцессорный контроллер SIEMENS S7-200. Методические указания к выполнению лабораторных работ

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки

Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Ивановский государственный энергетический университет

имени В.И. Ленина"

Кафедра "Автоматизация технологических процессов"

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ КОНТРОЛЛЕР

SIEMENS S7-200

Методические указания

к выполнению лабораторных работ по дисциплине

"Основы микропроцессорной техники"

Иваново 2010

Составитель В.М. Пушков

Редактор А.М. Демин

Методические указания предназначены для студентов, обу-

чающихся по специальности 220301.65 "Автоматизация технологи-

ческих процессов и производств (тепловые и атомные электростан-

ции)", при выполнении лабораторных работ по дисциплине "Основы

микропроцессорной техники". Целью работ является изучение

принципов программирования микропроцессорных контроллеров

Siemens серии S7-200.

Утверждены цикловой методической комиссией ТЭФ

Рецензент

кафедра "Автоматизация технологических процессов"

ГОУВПО "Ивановский государственный энергетический

университет имени В.И. Ленина"

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ S7-200

Серия S7-200 – это ряд микропрограммируемых логических

контроллеров (микроконтроллеров), которые могут управлять раз-

нообразными прикладными системами автоматизации. Компактная

конструкция, расширяемость, низкая стоимость и мощная система

команд микроконтроллеров S7-200 создают идеальное решение

для управления малыми технологическими объектами. Кроме того,

большое разнообразие типов CPU обеспечивает необходимую

гибкость при решении задач автоматизации.

1.1. Сравнение технических характеристик

микроконтроллеров S7-200

На рис. 1.1 показана основная система с микроконтроллером

S7-200, которая включает CPU S7-200, персональный компьютер с

установленной программой STEP 7-Micro/WIN 32 и кабель связи.

Для использования персонального компьютера (PC) необходимо

иметь одно из следующих устройств:

 кабель PC/PPI;

 коммуникационный процессор (CP) и кабель с многоточеч-

ным интерфейсом (MPI);

 плату многоточечного интерфейса (MPI).

Рис. 1.1. Компоненты системы с микроконтроллером S7-200

и кабелем PC/PPI

CPU S7-200

Кабель PC/PPI

STEP 7-Micro/WIN 32

Компьютер

Семейство S7-200 включает большое многообразие СPU, даю-

щее возможность в процессе проектирования оптимальным обра-

зом решать задачи автоматизации.

В табл. 1.1 приведены основные технические характеристики

CPU S7-200 различных вариантов исполнения.

Таблица 1.1. Обзор CPU S7-200

Техническая

характеристика

CPU 221

CPU 222

CPU 224

Физический размер

блока

90х80х62 мм

120х80х62 мм

Память

Программа

2048 слов

4096 слов

Данные

пользователя

1024 слов

2560 слов

Память программы

пользователя

ЭСППЗУ

Буферизация данных

(конденсатор

высокой емкости)

Обычно

50 часов

Обычно

50 часов

Обычно

190 часов

Локальные входы-выходы

Количество локальных

входов-выходов

6 входов/

4 выхода

8 входов/

6 выходов

14 входов/

10 выходов

Количество

модулей расширения

нет

2 модуля

7 модулей

Общее количество входов-выходов

Размер образа циф-

ровых входов-

выходов

256

(128 входов/

128 выходов)

256

(128 входов/

128 выходов)

256

(128 входов/

128 выходов)

Размер образа

аналоговых входов-

выходов

нет

16 входов/

16 выходов

32 входа/

32 выхода

Команды

Скорость выполнения

булевых команд

при 33 МГц

0,37 мкс/

команда

0,37 мкс/

команда

0,37 мкс/

команда

Регистр образа вхо-

дов-выходов

128 I и 128 Q

Количество

внутренних реле

256

Количество

счетчиков/таймеров

256/256

Ввод/вывод слова

нет

16/16

32/32

Окончание табл. 1.1

Техническая

характеристика

CPU 221

CPU 222

CPU 224

Количество реле

последовательного

управления

256

Циклы For/Next

Да

Математика целых

чисел (+ - * /)

Да

Математика

вещественных чисел

(+ - * /)

Да

1.2. Основные компоненты микроконтроллера S7-200

Микроконтроллер S7-200 состоит из одиночного блока CPU S7-

200 или блока с модулями расширения.

CPU S7-200 объединяет центральный процессорный блок

(CPU), источник питания и цифровые вводы-выводы в компактное

автономное устройство.

 CPU выполняет программу и хранит данные для управле-

ния задачей автоматизации или процессом.

 Цифровые входы и выходы являются точками управления

системы: входы контролируют сигналы полевых устройств

(таких, как датчики и переключатели), а выходы управляют

насосами, двигателями или другими исполнительными уст-

ройствами.

 Источник питания снабжает электрической энергией CPU и

любые подключенные модули расширения.

 Коммуникационный порт (порты) позволяет подключить

CPU к устройству программирования или другим устройст-

вам.

 Световые индикаторы состояния дают визуальную инфор-

мацию о режиме CPU (RUN или STOP), текущем состоянии

локальных входов-выходов и об обнаружении отказа систе-

мы.

 Дополнительные точки ввода-вывода могут добавляться

к CPU при помощи модулей расширения (CPU 221 не может

расширяться).

 При помощи модулей расширения можно увеличить эффек-

тивность обмена данными.

 Некоторые CPU имеют часы реального времени как встро-

енный элемент, тогда как другие CPU имеют дополнитель-

ный модуль часов реального времени.

 Необязательный вставной модуль ЭСППЗУ с последова-

тельным доступом предоставляет средство хранения про-

грамм CPU и передачи программ от одного CPU другому

CPU.

 Необязательный вставной батарейный модуль обеспечива-

ет расширенное сохранение памяти данных в RAM.

1.3. Концепции языков программирования

и редакторов S7-200

CPU S7-200 имеет много типов команд, позволяющих решать

широкий спектр задач автоматизации. Программное обеспечение

STEP 7-Micro/WIN 32 предоставляет выбор различных редакторов,

которые позволяют создавать управляющие программы с этими

командами.

Редактор списка команд (Statement List)

Редактор списка команд (STL) предоставляет возможность соз-

давать управляющие программы, вводя мнемонику команд.

В общем случае редактор STL больше подходит для опытных про-

граммистов, хорошо знакомых с ПЛК и логическим программиро-

ванием. Редактор STL позволяет также разрабатывать программы,

которые невозможно создавать иным образом, используя редакто-

ры для контактного или функционального плана. На рис. 1.2 пока-

зан пример программы, составленной в редакторе списка команд.

STL

NETWORK

LD I0.0

LD I0.1

LD I2.0

A I2.1

OLD

ALD

= Q5.0

S0 S1 S2

Рис. 1.2. Пример программы в форме списка команд

Эта основанная на тексте концепция очень похожа на програм-

мирование на языке ассемблера. CPU выполняет команды в по-

рядке, предписанном программой, сверху донизу и затем опять

начинает сверху.

Редактор контактного плана (Ladder Logic)

Редактор контактного плана (LAD) позволяет формировать про-

граммы, имеющие сходство с электрической монтажной схемой.

Вероятно, программирование в контактном плане является мето-

дом, который выбирают многие программисты ПЛК и обслуживаю-

щий персонал. По существу, программы в контактном плане по-

зволяют CPU эмулировать протекание электрического тока от ис-

точника питания через ряд логических состояний входов, которые,

в свою очередь, разблокируют логические состояния выходов. Ло-

гика обычно подразделяется на малые, легко понимаемые, сег-

менты, которые в англоязычной литературе часто называются

rungs, т.е. ступеньки (в соответствии с английским названием кон-

тактного плана – Ladder Logic, что буквально означает "лестничная

логика"), или networks – цепи. Программа выполняется по "цепям"

слева направо и затем сверху вниз, как предписано программой. Как

только CPU достигает конца программы, он начинает снова с вер-

шины программы.

На рис. 1.3 показан пример программы, составленной в редак-

торе контактного плана.

NETWORK 1

NETWORK 2

I0.0 I0.1

I2.0 I2.1

I2.1

Q5.0

VB50

AC0 AC0

MOV_B

ENO

OUT

ENO

SWAP

Рис. 1.3. Пример программы в контактном плане

Различные команды представляются графическими символами

и включают три основные формы. Можно последовательно соеди-

нять многочисленные команды в форме блоков.

 Контакты представляют логические состояния входов, ана-

логичных выключателям, кнопкам, внутренним условиям и

так далее.

 Катушки обычно представляют логические результаты вы-

ходов, аналогичных лампам, пускателям электродвигате-

лей, промежуточным реле, состояниям внутренних выходов

и так далее.

 Блоки представляют дополнительные команды, такие как

таймеры, счетчики или математические команды.

Основные особенности, принимаемые во внимание при выборе

редактора LAD:

 контактный план прост в использовании для начинающих

программистов;

 графическое представление часто более легко понимается

и является популярным во всем мире.

Редактор функционального плана (Function Block Diagram)

Редактор функционального плана (FBD) позволяет просматри-

вать команды в форме логических блоков, напоминающих логиче-

ские блок-схемы общего вида. Нет никаких контактов и катушек,

как в редакторе LAD, но имеются эквивалентные команды, которые

появляются как команды в форме блоков. Логика программы фор-

мируется из соединений между этими командами в форме блоков.

То есть выход одной команды (например, блока AND) может ис-

пользоваться для того, чтобы разрешить другой команде (напри-

мер, таймеру) создать необходимую логику управления. Такая

концепция соединений позволяет решать широкий круг логических

задач.

На рис.1.4 показан пример программы, созданной в редакторе

функционального плана.

I2.1

V50.0

AC0

AND

TON

ENO

Рис.1.4. Пример программы в функциональном плане

Основная особенность, принимаемая во внимание при выборе

редактора FBD:

 графический стиль представления в форме логических эле-

ментов хорош для последующего составления блок-схемы

программы.

1.4. Типы данных для переменных

В табл. 1.2 приведены элементарные типы данных, а в табл. 1.3

сложные типы данных, доступные при программировании в STEP 7-

Micro/WIN 32.

Таблица 1.2. Элементарные типы данных

Элементарные

типы данных

Размер типа

данных

Описание

Диапазон

данных

BOOL (1 бит)

1 бит

Булева

переменная

0÷1

BYTE

(8 битов)

8 битов

Байт без знака

0÷255

WORD

(16 битов)

16 битов

Целое число

без знака

0÷65535

INT (16 битов)

16 битов

Целое число

со знаком

− 32768÷32767

DWORD

(32 бита)

32 бита

Двойное целое

число без знака

0÷2

− 1

DINT (32 бита)

32 бита

Двойное целое

число со знаком

− 2

÷2

− 1

REAL

(32 бита)

32 бита

32-разрядное

число с плаваю-

щей точкой IEEE

− 10

÷10

Таблица 1.3. Сложные типы данных

Сложные

типы данных

Описание

Диапазон адресов

TON

Таймер с задержкой

включения

1 мс Т32, Т96

10 мс Т33÷Т36, Т97÷Т100

100 мс Т37÷Т63, Т101÷Т255

TOF

Таймер с задержкой

выключения

1 мс Т32, Т96

10 мс Т33÷Т36, Т97÷–Т100

100 мс Т37÷Т63, Т101÷Т255

Импульсный таймер

1 мс Т32, Т96

10 мс Т33÷Т36, Т97÷Т100

100 мс Т37÷Т63, Т101÷Т255

CTU

Суммирующий счетчик

0÷255

CTD

Вычитающий счетчик

0÷255

CTUD

Реверсивный счетчик

0÷255

1.5. Основные элементы для построения программы

CPU S7-200 непрерывно выполняет загруженную в память про-

грамму для управления задачей или процессом. Программа созда-

ется и загружается в память CPU при помощи программного обес-

печения STEP 7-Micro/WIN 32.

Организация программы

Программы для CPU S7-200 конструируются из трех основных

элементов: главная программа, подпрограммы (необязательные) и

подпрограммы обработки прерываний (необязательные). Про-

грамма S7-200 делится на следующие организационные элементы.

 Главная программа: основная часть программы, где разме-

щаются команды, управляющие приложением. Команды

главной программы выполняются последовательно и одно-

кратно в каждом цикле сканирования CPU.

 Программы обработки прерываний: эти необязательные

элементы программы выполняются при каждом возникнове-

нии события, вызывающего прерывание.

 Подпрограммы: эти необязательные элементы программы

выполняются только тогда, когда они вызываются из главной

программы или программы обработки прерываний.

1.6. Объяснение цикла сканирования CPU

CPU S7-200 работает в режиме циклического выполнения ряда

заданий, включая рабочую программу. Такое циклическое выпол-

нение заданий называется циклом сканирования. В течение цикла

сканирования, показанного на рис. 1.5, CPU выполняет все или

большинство из следующих задач:

 считывание входов;

 выполнение программы;

 обработка любых коммуникационных запросов;

 выполнение самодиагностики CPU;

 запись в выходы.