Werner Braun - Springer978-3-322-80330... · 2017. 8. 25. · Aus dem Programm _____ ____ Automatisierungstechnik Kaspers/Kufner Messen - Steuern - Regeln von B. Heinrich (Hrsg.),

Werner Braun

Speicherprogrammierbare Steuerungen

Aus dem Programm _____________ ____ Automatisierungstechnik

Kaspers/Kufner Messen - Steuern - Regeln von B. Heinrich (Hrsg.), B. Berling, W. Thrun und W. Vogt

Messtechnik von R. Parthier

Regelungstechnik fur Ingenieure von M. Reuter und S. Zacher

Automatisieren mit SPS Theorie und Praxis von G. Wellenreuther und D. Zastrow

Automatisieren mit SPS Ubersicht und Ubungsaufgaben von G. Wellenreuther und D. Zastrow

Steuerungstechnik mit SPS von G. Wellenreuther und D. Zastrow

Bussysteme in der Automatisierungs­und Prozesstechnlk herausgegeben von G. Schnell

Automatlsierungstechnik kompakt herausgegeben von S. Zacher

vieweg ________________ ____"

Werner Braun

Speicher­programmierbare Steuerungen Praxisnahe Aufgaben und Losungen mit STEP 7

3., verbesserte Auflage

Mit 205 Abbildungen und 121 Tabellen

rII Studium Technik vleweg

Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet tiber <http://dnb.ddb.de> abrufbar.

Das Werk erschien in zwei Auflagen unter dem Titel Speicherprogrammierbare Steuerungen in der Praxis im selben Verlag.

1. Auflage 1999 2., tiberarbeitete und erweiterte Auflage Oktober 2000 3., verbesserte Auflage Januar 2005

Alle Rechte vorbehalten © Friedr. Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2005

Lektorat: Thomas Zipsner j Imke Zander

Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. www.vieweg.de

Das Werk einschlieBlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschtitzt. Jede Verwertung auBerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzuliissig und strafbar. Das gilt insbesondere fur Vervieifiiltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de Gedruckt auf siiurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.

ISBN-13: 978-3-528-23858-2 DOl: 10.1007/978-3-322-80330-6

e-ISBN-13: 978-3-322-80330-6

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Vorwort

In den Jahren 1978179 wurde die SIMATIC S3 der Firma Siemens dmch das Automatisie­rungs system SIMATIC S5 abge16st. Mittlerweile sind die Zentralbaugruppen der S5 zu Aus­laufprodukten erklart worden. Siemens stellt jedoch im Rahmen einer vorausschauenden Bevorratung sieher, dass die betroffenen Produkte als Ersatzteil noch fliT einen langen Zeit­raum lieferbar bleiben.

1m Jahr 1995 erschien das neueste Basisautomatisierungssystem SIMATIC S7, das verschie­dene Teilsysteme in eine einheitliche Systemarchitektur integriert. Das Gesamtsystem reicht dabei von der Feldebene bis zm Leittechnik. Fur Speicherprogramrnierbare Steuerungen (S7), Automatisierungsrechner (M7) und die Komplettgerate zum BedienenlBeobachten (C7) existiert eine dmchgangige Programmierung, Datenhaltung und Kommunikation.

Der Inhalt dieses Buches beschaftigt sich mit der Programmierung und Anwendung des Ba­sisautomatisierungssystems S7, und zwar mit den Reihen S7-300 und S7-400, die von der untersten bis zm obersten Leistungsebene der Automatisierung reichen. Neben den "klassi­schen" Prograrnmiersprachen AWL, FUP und KOP werden auch GRAPH - fUr Ablaufsteue­rungen, SCL - eine P ASCAL-ahnliche Hochsprache - und HiGraph - zm Programmierung nach der Methode der Zustandsgraphen anhand von Beispielaufgaben beschrieben. Ein um­fangreiches Kapite1 ist dem Vergleich von Operationen der Programmiersprachen AWL, FUP und KOP mit der neuen Programmiersprache SCL gewidmet.

Der eigentliche Schwerpunkt des Buches liegt in der ausfiihrlichen Darstellung und Be­schreibung zahlreicher Steuerungsaufgaben mit einer umfangreichen Kommentierung des zugehorigen Steuerungsprogranlms. Fiir mehrere Beispielaufgaben werden Steuerungspro­gramme in unterschiedlichen Programmiersprachen vorgestellt, was dem Leser gute Ver­gleichsmoglichkeiten erOffnet.

Die Aufgabenstellungen sind den Bereichen der Maschinen-, Fertigungs-, Handhabungs-, Verfahrens- und Elektrotechnik sowie aus den Gebieten der Pneumatik und Hydraulik ent­nommen und sprechen sowohl die Bitverarbeitung als auch die Digital- und Analogwertver­arbeitung an.

Das Buch ist bestimmt fUr Meister, Techniker und Fachhochschulstudenten, soll aber auch dem SPS-Praktiker, insbesondere dem Umsteiger von SIMATIC S5 oder einem anderen Fab­rikat auf SIMATIC S7, Anregungen und Hilfestellung fiir die Losung steuerungstechnischer Probleme mit Hilfe von SIMATIC S7 geben.

Der Autor dankt allen an der Entstehung des Buches beteiligten Personen und Firmen. Diese sind im Anhang unter dem Firmenverzeichnis erwahnt. Die Verwendung der SIMATIC­Handbucher wurde durch die freundliche Genehmigung des Geschaftsgebietes Industrie­Automatisierungssysteme der Siemens AG Numberg-Moorenbrunn ermoglicht.

Fur fachliche Anregungen und Kritik bin ich den interessierten Lesem dankbar.

Steinbach, im September 2004 Werner Braun

VI Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ........................................................................................................................... 1 1.1 Hinweise fUr den Leser .............................................................................................. l 1.2 STEP 7 - konform zur IEC 61131 ............................................................................ .3

1.2.1 Bestandteile der Norm IEC 61131 ................................................................. 3 1.2.2 Die Norm IEC 61131-3 ................................................................................. 3 1.2.3 PLCopen ........................................................................................................ 5 1.2.4 STEP 7 - konform zur IEC 61131-3 und kompatibel zu STEP 5 ................. 6

2 Arbeiten mit STEP 7 ......................................................................................................... 8 2.1 Hardwareaufbau des Simulationsstandes ................................................................... 8 2.2 Installation von STEP 7 ........................................................................................... 11 2.3 Konfigurieren und Parametrieren mit STEP 7 ......................................................... 11

2.3.1 Konfigurieren ............................................................................................... 12 2.3.2 Parametrieren ............................................................................................... 12

2.4 Einfiihrung in das Programmieren mit STEP 7 ....................................................... 12 2.4.1 Projekt "Vorrat2" anlegen ............................................................................ l2 2.4.2 Hardware konfigurieren ............................................................................... 13 2.4.3 Hardware parametrieren .............................................................................. 15 2.4.4 S 7 -Programm anlegen, Bausteine programmieren ...................................... 15

2.4.4.1 Symboltabelle anlegen .................................................................. 15 2.4.4.2 FunktionFCI inSCLprogrammieren .......................................... 16 2.4.4.3 Funktion FC2 in KOP programmieren ......................................... 17 2.4.4.4 Organisationsbaustein OB 1 in FUP programmieren .................... 19 2.4.4.5 Variablentabelle VA T1 anlegen ................................................... 20

2.4.5 Anwenderprogramm in die S7-CPU laden .................................................. 21 2.4.6 Anwenderprogramm testen .......................................................................... 21

2.4.6.1 KOP-Progranun in der FC2 testen ................................................ 21 2.4.6.2 SCL-Programm in der SCL-Quelle(l) testen ............................... 22 2.4.6.3 Variablen in der Variablentabelle beobachten und steuem .......... 23

3 Operationen von AWL, FUP, KOP und SeL .............................................................. 24 3.1 Bitverkniipfungsoperationen .................................................................................... 24

3.1.1 UND-Verkniipfung (FUP) - Reihenschaltung (KOP) ................................. 24 3.1.2 ODER-Verkniipfung (FUP) - Parallelschaltung (KOP) .............................. 25 3.1.3 XOR-Verkniipfung (FUP) - XOR-Schaltung (KOP) .................................. 25 3.1.4 Negation (FUP) - Offnerkontakt bzw. NOT (KOP) ................................... 26 3.1.5 Zuweisung (FUP) - Spule (KOP) ................................................................ 26 3.1.6 Konnektor .................................................................................................... 27 3.1.7 Ausgang setzen ............................................................................................ 28 3.1.8 Ausgangriicksetzen ..................................................................................... 28 3.1.9 VKE in das BIE-Bit des Statuswortes schreiben ......................................... 29 3.1.10 SR-Flipflop (rucksetzdominant) .................................................................. 29 3.1.11 RS-Flipflop (setzdominant) ......................................................................... 30 3.1.12 Flanke 0 ~ 1 abfragen ................................................................................. 30 3.1.13 Flanke 1 ~ 0 abfragen ................................................................................. 31

Inhaltsverzeichnis VII

3.1.14 Signalflanke 0 ~ 1 abfragen ....................................................................... 31 3.1.15 Signalflanke 1 ~ 0 abfragen ....................................................................... 32

3.2 Zeitoperationen ........................................................................................................ 33 3.2.1 Zeit als Impuls starten (S_IMPULS) ........................................................... 34 3.2.2 Zeit als verHingerten Impuls starten (S_ VIMP) ........................................... 35 3.2.3 Zeit als Einschaltverzogerung starten (S_EVERZ) ..................................... 36 3.2.4 Zeit als speichemde Einschaltverzogerung starten (S_SEVERZ) ............... 37 3.2.5 Zeit als Ausschaltverzogerung starten (S_A VERZ) .................................... 38 3.2.6 Zeit als Impuls starten (Sn ........................................................................... 39 3.2.7 Zeit als verlangerten Impuls starten (SV) .................................................... 39 3.2.8 Zeit als Einschaltverzogerung starten (SE) .................................................. 40 3.2.9 Zeit als speichemde Einschaltverzogerung starten (SS) .............................. 40 3.2.10 Zeit als Ausschaltverzogerung starten (SA) ............................................... .41

3.3 Zahleroperationen .................................................................................................... 41 3.3.1 Zahleranfangswert setzen ........................................................................... .42 3.3.2 V orwartszahlen (Aufwartszahlen) ............................................................... 4 3 3.3.3 Riickwartszahlen (Abwartszahlen) ............................................................. .43 3.3.4 Vorwartszahler (Z_ VORW) ........................................................................ 44 3.3.5 Riickwartszahler (ZY.UECK) ..................................................................... 45 3.3.6 Vorwarts-lRiickwartszahler (ZAEHLER) .................................................. .46

3.4 Operationen zur Ergebnis- und Fehleriiberpriifung ................................................ .47 3.4.1 Statusbits (AWL, FUP, KOP) ...................................................................... 47 3.4.2 Ergebnisbits (AWL, FUP, KOP) und Vergleichsoperatoren (SCL) ............ 48 3.4.3 Freigabeeingang EN und Freigabeausgang ENO (FUPIKOP) ................... .48 3.4.4 BIE-Bit (AWL) ............................................................................................ 49 3.4.5 OK-Flag (SCL) ........................................................................................... .49

3.5 Rechenoperationen mit ganzen Zahlen .................................................................... 52 3.5.1 16 Bit-Ganzzahlen addieren ........................................................................ 52 3.5.2 16 Bit-Ganzzahlen subtrahieren .................................................................. 52 3.5.3 16 Bit-Ganzzahlen multiplizieren ................................................................ 53 3.5.4 16 Bit-Ganzzahlen dividieren ...................................................................... 54 3.5.5 32 Bit-Ganzzahlen addieren ........................................................................ 54 3.5.6 32 Bit-Ganzzahlen subtrahieren .................................................................. 55 3.5.7 32 Bit Ganzzahlen multiplizieren ................................................................ 56 3.5.8 32 Bit-Ganzzahlen dividieren ...................................................................... 56 3.5.9 Divisionsrest bei 32 Bit-Ganzzahlen bestimmen ......................................... 57

3.6 Rechenoperationen mit Gleitpunktzahlen (32 Bit-IEEE-FP) ................................... 58 3.6.1 3.6.2 3.6.3 3.6.4 3.6.5 3.6.6 3.6.7 3.6.8 3.6.9 3.6.10 3.6.11

Gleitpunktzahlen addieren ........................................................................... 5 8 Gleitpunktzahlen subtrahieren ..................................................................... 58 Gleitpunktzahlen multiplizieren .................................................................. 59 Gleitpunktzahlen dividieren ......................................................................... 60 Absolutwert einer Gleitpunktzahl ................................................................ 60 Quadrat und Potenz einer Gleitpunktzahl.. .................................................. 61 Quadratwurzel einer Gleitpunktzahl ............................................................ 62 Natfulicher Logarithmus und Zehnerlogarithmus einer Gleitpunktzahl ..... 62 Potenz einer Gleitpunktzahl zur Basis e und zur Basis 10 .......................... 63 Sinus einer Gleitpunktzahl ........................................................................... 64 Trigonometrische Funktionen (Obersicht) .................................................. 64

VIII Inhaltsverzeichnis

3.7 Vergleichsoperationen ............................................................................................. 65 3.7.1 Vergleichsmoglichkeiten (Obersicht) .......................................................... 65 3.7.2 Integerzahlen auf Gleichheit iiberpriifen (16 Bit) ........................................ 65 3.7.3 Double Integerzahlen aufungleich vergleichen (32 Bit) ............................. 66 3.7.4 Gleitpunktzahlen aufkleiner vergleichen (32 Bit) ...................................... 66

3.8 Umwandlungs- und Rundungsoperationen .............................................................. 67 3.8.1 Umwandlungs- und Rundungsoperationen (Obersicht) .............................. 67 3.8.2 BCD-Zahl in Integerzahl wandeln (16 Bit) ................................................. 68 3.8.3 Integerzahl in BCD-Zahl wandeln (16 Bit) ................................................. 68 3.8.4 Interzahl (16 Bit) in Double Integerzahl (32 Bit) wandeln ......................... 69 3.8.5 BCD-Zahl in Double Integerzahl wandeln (32 Bit) .................................... 69 3.8.6 Double Integerzahl in BCD-Zahl wandeln (32 Bit) .................................... 70 3.8.7 Double Integerzahl in Gleitpunktzahl wandeln (32 Bit) ............................. 70 3.8.8 Gleitpunktzahl in Double Integerzahl runden (32 Bit) ................................ 71 3.8.9 Gleitpunktzahl in Double Integerzahl durch Abschneiden

runden (32 Bit) ............................................................................................. 71 3.8.10 ler Komplement einer Integerzahl bilden (16 Bit) ...................................... 72 3.8.11 2er Komplement einer Integerzahl bilden (16 Bit) ...................................... 72

3.9 Wert iibertragen (8,16 und 32 Bit) .......................................................................... 73 3.10 Digitale Verkniipfungsoperationen .......................................................................... 73

3.10.1 Wort - und Doppelwort -Verkniipfungsoperationen (Obersicht) .................. 73 3.10.2 16 Bit-UND-Verkniipfung ........................................................................... 74 3.10.3 16 Bit-ODER-Verkniipfung ........................................................................ 75

3.11 Schiebe- und Rotieroperationen ............................................................................... 76 3.11.1 Schiebe- und Rotieroperationen (Obersicht) ............................................... 76 3 .11.2 Wart links schieben (16 Bit) ........................................................................ 77 3.11.3 Wort rechts schieben (16 Bit) ...................................................................... 78 3.11.4 Doppelwort links rotieren (32 Bit) .............................................................. 79

3.12 Sprungoperationen ................................................................................................... 80 3.12.1 Sprungoperationen (Obersicht) .................................................................... 80 3.12.2 Spezielle Sprungoperationen in AWL (Obersicht) ...................................... 80 3.12.3 Sprungmarken in AWL, FUP und KOP ...................................................... 80 3.12.4 Sprungmarken in SCL ................................................................................. 81

3.13 Operationen des Master Control Relays (MCR) ...................................................... 83 3.13.1 Operationen des Master Control Relays (Obersicht) ................................... 84 3.13.2 Von MCR -Zonen beeinflusste Operationen ................................................ 84

3.14 Bausteinaufrufe ........................................................................................................ 86

4 Besonderheiten der Programmiersprachen .................................................................. 91 4.1 S7-GRAPH .............................................................................................................. 91 4.2 Prograrnmiersprachen AWL, FUP, KOP ................................................................. 98

4.2.1 Betriebsarten von Ablaufsteuerungen ......................................................... 98 4.2.1.1 Bedieneingriffe ............................................................................. 99 4.2.1.2 Funktionen und Eigenschaften des Betriebsartenteils ................ 1 0 1

4.2.2 Ablaufsteuerungen ..................................................................................... 1 06 4.2.2.1 Schrittkettenprogrammierung in AWL, FUP, KOP ................... 106 4.2.2.2 Lineare Schrittkette .................................................................... 1 07 4.2.2.3 Schrittkette mit Parallelverzweigungen ...................................... ll 0

Inhaltsverzeichnis IX

4.2.3 Lade- und Transferoperationen .................................................................. 114 4.3 Programmiersprache SCL ...................................................................................... 116

4.3.1 SCL-Kontrollanweisungen ........................................................................ 116 4.3.1.1 IF-Anweisung ............................................................................. 117 4.3.1.2 CASE-Anweisung ...................................................................... 118 4.3.1.3 FOR-Schleife .............................................................................. 118 4.3.1.4 WlllLE-Schleife ......................................................................... 119 4.3.1.5 REPEAT-Schleife ....................................................................... 119 4.3.1.6 CONTlN1JE-Anweisung ............................................................ 120 4.3.1.7 EXIT-Anweisung ........................................................................ 120 4.3.1.8 GOTO-Anweisung ...................................................................... 121 4.3.1.9 RETlJRN"-Anweisung ................................................................. 121

4.3.2 Funktionen von SCL fUr Datentyp-Konvertierungen ................................ 122 4.3.2.1 Datentypkonvertierungen der Klasse A ...................................... 122 4.3.2.2 Datentypkonvertierungen der Klasse B ...................................... 122

5 Analogwertverarbeitung ........... .................................................................................... 124 5.1 Analogwertdarstellung .......................................................................... , ................ 124 5.2 Mess- und Ausgabebereiche .................................................................................. 125 5.3 Weiterverarbeitung der digitalisierten Analogeingabewerte ................................. 128 5.4 Normierung von Analogwerten (lineare Skalierung) ............................................. 128

5.4.1 Normierungsprogramme fUr Analogeingabewerte .................................... 129 5.4.2 Normierungsprogramme fUr Analogausgabewerte .................................... 130 5.4.3 Normierungsprogramme NormSCL und NormA WL ................................ 131 5.4.4 Normierungsprogramme NormSCLl und NormA WLl ............................ 134

6 Programmbeispiele ....................................................................................................... 138 6.1 Verknupfungssteuerungen ..................................................................................... 138

6.1.1 Sensoren 1 .................................................................................................. 138 6.1.2 Sensoren 2 .................................................................................................. 141 6.1.3 Sensoren3 .................................................................................................. 146 6.1.4 Vorratsbehiilter 1 ....................................................................................... 149 6.1.5 Pumpenuberwachung 1 .............................................................................. 157 6.1.6 Pumpenuberwachung 2 .............................................................................. 161

6.2 Ablaufsteuerungen ................................................................................................. 165 6.2.1 Bohrvorrichtung 1 ...................................................................................... 165

6.2.1.1 Programmvariante 1 (S7-AWL, -FUP, -KOP) ........................... 167 6.2.1.2 Programmvariante 2 (S7-GRAPH) ............................................. 171 6.2.1.3 Programmvariante 3 (S7-SCL) ................................................... 174 6.2.1.4 Programmvariante 4 (S7-HiGraph) ............................................ 175

6.2.2 Tauchbad .................................................................................................... 182 6.2.3 Silo ............................................................................................................. 190 6.2.4 Pragemaschine ........................................................................................... 196 6.2.5 Bohrvorrichtung 2 ...................................................................................... 208 6.2.6 Bohrvorrichtung 3 ...................................................................................... 215 6.2.7 Biegevorrichtung 1 .................................................................................... 224 6.2.8 Biegevorrichtung 2 .................................................................................... 235 6.2.9 Reaktionsbehalter ...................................................................................... 239

6.3 Aufgaben mit Digitaloperationen ........................................................................... 245

X Inha1tsverzeichnis

6.3.1 Parkp1atz 1 ................................................................................................. 245 6.3.2 Parkp1atz 2 ................................................................................................. 247 6.3.3 Parkplatz 3 ................................................................................................. 249 6.3.4 Sollwertverstellung 1 ................................................................................. 257 6.3.5 Sollwertverstellung 2 ................................................................................. 259 6.3.6 Sollwertverstellung 3 ................................................................................. 260 6.3.7 Rezeptauswah1 ........................................................................................... 263

6.4 Aufgaben mit Analogwertverarbeitung ................................................................. 268 6.4.1 Vorratsbeha1ter 2 ....................................................................................... 268 6.4.2 Vorratsbeha1ter 3 (mit Prozessvisua1isierung) ........................................... 273 6.4.3 Kraftmessung 1 .......................................................................................... 277 6.4.4 Kraftmessung 2 .......................................................................................... 278 6.4.5 Unterdruckmessung ................................................................................... 281 6.4.6 Tachogenerator 1 ....................................................................................... 285 6.4.7 Tachogenerator 2 ....................................................................................... 288 6.4.8 H6henmessung 1 ........................................................................................ 290

6.5 Aufgaben mit Datenbausteinoperationen ............................................................... 295 6.5.1 H6henmessung 2 ........................................................................................ 295 6.5.2 H6henmessung 3 ........................................................................................ 299 6.5.3 H6henmessung 4 ........................................................................................ 302

6.6 Komp1exes Beispiel: Modu1ares Produktionssystem ............................................. 305 6.6.1 Hardwareaufbau der Stationen .................................................................. 305 6.6.2 Pneumatikschaltp1an .................................................................................. 308 6.6.3 S7-Projekt Modulares Produktionssystem "MPSl" .................................. 309 6.6.4 S7-Programm der Station 1 "Verteilen" .................................................... 314 6.6.5 S7-Programm der Station 2 "Prufen" ......................................................... 321 6.6.6 Bedienen und Beobachten mit WinCC ...................................................... 331

Anhang ................................................................................................................................. 333 Tab. Al Speicherbereiche der S7-CPU ................................................................................ 333 Tab. A2 E1ementare Datentypen .......................................................................................... 334 Tab. A3 Zusammengesetzte Datentypen .............................................................................. 334 Tab. A4 Datenbaustein in der Deklarationssicht .................................................................. 335 Tab. A5 Datenbaustein in der Datensicht ............................................................................ 335 Tab. A6 Deklaration von Parametem und Variab1en ........................................................... 336 Tab. A 7 Lokaldaten eines Codebausteins ........................................................................... .336 Tab. A8 Remanenzverha1ten der S7-CPUs .......................................................................... 337 Remanenzverha1ten von MerkelTI ......................................................................................... 338 Anlaufverha1ten der CPU durch An1auf-OB beeinflussen .................................................... 338

Glossar .................................................................................................................................. 339 Marken ................................................................................................................................. 344 Normen ................................................................................................................................. 344 Literatnr ............................................................................................................................... 345 Zeitschriften ......................................................................................................................... 347 Firmen- nnd Personenverzeichnis ..................................................................................... 347 Sachwortverzeichnis ........................................................................................................... 348 Projektverzeichnis ............................................................................................................... 352