第5章 控制系統(tǒng)的軟件設計

5.1 STEP7概述

STEP7編程軟件用于SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WINAC，是供它們編程、監(jiān)控和參數(shù)設置的標準工具。STEP 7具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設置、通信組態(tài)、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等。在STEP 7中，用項目來管理一個自動化系統(tǒng)的硬件和軟件。STEP 7用SIMATIC管理器對項目進行集中管理，它可以方便地瀏覽SIMATIC S7、M7、C7和WINAC的數(shù)據(jù)。實現(xiàn)STEP 7各種功能所需的SIMATIC軟件工具都集成在STEP 7中。

5.1.1 STEP 7的硬件接口

PC/MPI適配器用于連接安裝了STEP 7的計算機的RS-232C接口和PLC的MPI接口。計算機一側(cè)的通信速率為19.2 KBIT/S或38.4 KBIT/S，PLC一側(cè)的通信速率為19.2 KBIT/S~1.5MBIT/S。除了PC適配器，還需要一根標準的RS-232C通信電纜。使用計算機的通信卡CP 5611、CP 5511或CP 5512，可以將計算機連接到MPI或PROFIBUS網(wǎng)絡，通過網(wǎng)絡實現(xiàn)計算機與PLC的通信。也可以使用計算機的工業(yè)以太網(wǎng)通信卡CP 1512或CP 1612，通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)計算機與PLC通信。在計算機上安裝好STEP7后，在管理器中執(zhí)行菜單命令“OPTION”→“SETTING THE PG/PC INTERFACE” ，打開“INSTALL/REMOVE INTERFACES”

對話框。在中間的選擇框中，選擇實際使用的硬件接口。點擊【SELECT…】按鈕，打開“INSTALL/REMOVE INTERFACES”對話框，可以安裝選擇框中沒有列出的硬件接口的驅(qū)動程序。點擊【PROPERTIES…】按鈕，可以設置計算機與PLC通信的參數(shù)。

5.1.2 STEP 7的編程功能

STEP 7的標準版只配置了3種基本的編程語言，梯形圖（LAD）、功能塊圖（FDB）和語句表（STL）、復制和粘貼功能。語句表是一種文本編程語言，使用戶能節(jié)省輸入時間和存儲區(qū)域，并且“更接近硬件”。STEP 7專業(yè)版的編程語言包括S7-SCL（結(jié)構(gòu)化控制語言）、S7-GRAPH（順序功能圖語言）、S7 HIGRAPH和CFC，這四種語言對于標準版是可選的。STEP 7用符號表編輯器工具管理所有的全局變量，用于定義符號名稱、數(shù)據(jù)類型和全局變量的注釋。使用這一工具生成的符號表可供所有應用程序使用，所有工具自動識別系統(tǒng)參數(shù)的變化。

測試功能和服務功能包括設置斷點、強制輸入和輸出、重新布線、顯示交叉參考表、狀態(tài)功能、直接下載和調(diào)試塊、同時監(jiān)測幾個塊的狀態(tài)等。程序中的特殊點可以通過輸入符號名或地址快速查找。

STEP 7的幫助功能：選定想要得到的在線幫助的菜單目錄，或打開對話框，按F1鍵便可得到與它們有關的在線幫助。執(zhí)行菜單命令“HELP”→“CONTENTS”進入幫助窗口，借助目錄瀏覽器尋找需要的幫助主題，窗口中的檢索部分提供了按字母順序排列的主題關鍵詞，可以查找與某一關鍵詞有關的幫助。

5.1.3 STEP 7的硬件組態(tài)與診斷功能

硬件組態(tài)工具用于對自動化工程中使用的硬件進行配置和參數(shù)設置。主要包括：

1）系統(tǒng)組態(tài)：從目錄中選擇硬件機架，并將所選模塊分配給機架中希望的插槽。

2）CPU的參數(shù)設置：可以設置CPU模塊的多種屬性，例如啟動屬性、掃描監(jiān)視時間等，輸入的數(shù)據(jù)存儲在CPU的系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊中。

3）模塊的參數(shù)設置：用戶可以在屏幕上定義所有硬件模塊的的可調(diào)整參數(shù)，包括功能模塊與通信處理器，不必通過DIP開關來設置。在參數(shù)設置屏幕中，有的參數(shù)由系統(tǒng)提供若干個選項，有的參數(shù)只能在允許的范圍輸入，因此可以防止輸入錯誤的數(shù)據(jù)。

通信的組態(tài)包括：

1）連接的組態(tài)和顯示。

2）設置用MPI或PROFIBUS-DP連接的設備之間的周期性數(shù)據(jù)傳送的參數(shù)，選擇通信的參與者，在表中輸入數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)目的地后，通信過程中數(shù)據(jù)的生成和傳送均是自動完成的。

3）設置用MPI、PROFIBUS或工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)的事件驅(qū)動的數(shù)據(jù)傳輸，包括定義通信路。從集成塊庫中選擇通信模塊（CFB），用通用的編程語言（例如梯形圖）對所選的通信模塊進行參數(shù)設置。

STEP 7系統(tǒng)診斷：系統(tǒng)診斷為用戶提供自動化系統(tǒng)的狀態(tài)，可以通過2種方式顯示：

1）快速瀏覽CPU的數(shù)據(jù)和用戶編寫的程序在運行中的故障原因。

2）用圖形方式顯示硬件配置，例如顯示模塊的一般信息和模塊的狀態(tài)：顯示模塊故障，例如集中I/O和DP子站的通道故障；顯示診斷緩沖區(qū)的信息等。

5.2 STEP7項目的創(chuàng)建

在STEP 7中，用項目來管理一個自動化系統(tǒng)的硬件和軟件。STEP 7用SIMATIC管理器對項目進行集中管理，它可以方便的瀏覽SIMATIC S7、C7、和WINAC的數(shù)據(jù)。因此，掌握項目創(chuàng)建的方法就非常重要。

5.2.1 使用向?qū)?chuàng)建項目

首先雙擊桌面上的STEP 7圖標，進入SIMATIC MANAGER窗口，進入主菜單【文件】，選擇【“新建項目”向?qū)А浚瑥棾鰳祟}為“新項目向?qū)?/font>”的小窗口。

1）點擊【下一步】按鈕，在新項目中選擇CPU模塊的型號為CPU 313C 。

2）點擊【下一步】按鈕，選擇需要生成的邏輯塊，選擇需要生成作為主程序的組織塊OB1，選擇編程語言為梯形圖（LAD）。

3）點擊【下一步】按鈕，輸入項目的名稱，按【完成】生成的項目。過程如圖5.1所示。 

生成項目后，可以先組態(tài)硬件，然后生成軟件程序。也可以在沒有組態(tài)硬件的情況下，首先生成軟件。

（a）打開“新建項目”向?qū)?/font>

（b）選擇CPU的型號

（c）選擇塊的種類及語言種類

（d）給項目命名

（e）完成新項目的創(chuàng)建

 圖5-1使用向?qū)?chuàng)建項目

5.2.2 直接創(chuàng)建項目

進入主菜單【文件】 ，選擇【新建…】，將出現(xiàn)如圖5.2的一個對話框，在該對話框中分別輸入“文件名” 、“目錄路徑”等內(nèi)容，并確定，完成一個空項目的創(chuàng)建工作。

（a）輸入文件名與路徑

（b）完成項目創(chuàng)建

圖5-2 直接創(chuàng)建項目

5.3 本設計相關指令介紹

5.3.1 傳送指令MOVE

圖5-3 MOVE指令符號

MOVE（賦值指令）可以由使能（EN）輸入端的信號激活。將在輸入端IN 的特定值復制到輸出端OUT 上的特定地址中。ENO 和EN 具有相同的邏輯狀態(tài)。MOVE 只能復制 BYTE（字節(jié)）、WORD（字）或 DWORD（雙字）數(shù)據(jù)對象。用戶定義的數(shù)據(jù)類型（例如數(shù)組或結(jié)構(gòu)）必須使用系統(tǒng)功能“BLKMOVE”（SFC 20）進行復制。

MOVE指令的應用舉例:

圖5-4 MOVE指令應用舉例

如果 I0.0 =“1”，則執(zhí)行指令。MW10 的內(nèi)容被復制到當前打開的數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)字12中。如果執(zhí)行指令，則 Q4.0 為“1” 。

5.3.2 S_CU 加計數(shù)器指令

圖5-5 S_CU加計時器指令符號

S_CU（加計數(shù)器）在輸入端S 出現(xiàn)上升沿時使用輸入端PV 上的數(shù)值預置。如果在輸入端 R 上的信號狀態(tài)為“1”，則計數(shù)器復位，計數(shù)值被置為“0”。如果輸入端CU 上的信號狀態(tài)從“0”變?yōu)椤?/font>1”，并且計數(shù)器的值小于“999”，則計數(shù)器加“1”。

如果計數(shù)器被置位，并且輸入端CU 上的RLO = 1，計數(shù)器將相應地在下一掃描循環(huán)計數(shù)，即使沒有從上升沿到下降沿的變化或從下降沿到上升沿的變化。

如果計數(shù)值大于“0”，則輸出Q 上的信號狀態(tài)為“1”；如果計數(shù)值等于“0”，則輸出Q 上的信號狀態(tài)為“0”。

S_CU 加計數(shù)器指令的應用舉例：

圖5-6 S_CU 加計數(shù)器指令應用舉例

如果 I0.2 從“0”變?yōu)椤?/font>1”，計數(shù)器使用MW10 的值預置。如果I0.0 的信號狀態(tài)從“0”變?yōu)椤?/font>1”，計數(shù)器C10 的值將加“1”。C10 的值等于“999”除外。如果C10 不等于“0”，則Q4.0 為“1” 。

5.3.3 S_ODT接通延時 S5 定時器指令

圖5-7 S_ODT接通延時S5定時器指令符號

S_ODT（接通延時 S5 定時器指令）用于在起動（S）輸入端上出現(xiàn)上升沿時，起動指定的定時器。為了起動定時器，信號變化總是必要的。只要S 輸入端的信號狀態(tài)為“1”，則定時器就按輸入端TV 上設定的時間間隔繼續(xù)運行。當時間已經(jīng)結(jié)束，未出現(xiàn)錯誤并且S 輸入端上的信號狀態(tài)仍為“1”，則輸出Q 的信號狀態(tài)為“1”。當定時器正在運行時，如果S輸入端的信號狀態(tài)從“1”變?yōu)椤?/font>0”，則定時器停止運行。此時，輸出Q 的信號狀態(tài)為“0”。

當定時器運行時，如果復位（R）輸入端從“0”變?yōu)椤?/font>1”，則定時器復位。同時當前時間和時基清零。此時，輸出Q 的信號狀態(tài)為“0”。如果在輸入端R 的信號狀態(tài)為邏輯“1”，同時定時器沒有運行，輸入端S 為“1”，則定時器復位。

當前的時間值可以在輸出 BI 和BCD 掃描出來。BI 上的時間值為二進制值，BCD上的時間值為BCD 碼。當前的時間值等于初始TV 值減去定時器起動以來的歷時時間。

S_ODT接通延時 S5 定時器指令應用舉例：

圖5-8 S_ODT接通延時S5定時器指令應用舉例

如果輸入端 I0.0 的信號狀態(tài)從“0”變?yōu)椤?/font>1”（RLO 出現(xiàn)上升沿），則起動定時器 T5。如果規(guī)定的2 秒時間已結(jié)束，輸入 I0.0 的信號狀態(tài)仍為“1”，則輸出 Q4.0 為“1”。如果輸入 I0.0 的信號狀態(tài)從“1”變?yōu)椤?/font>0”，則定時器停止運行，Q4.0 為“0”（如果 I0.1 的信號狀態(tài)從“0”變?yōu)椤?/font>1”，則定時器復位，而不管定時器是否正在運行）。

5.3.4 SHR_W 字右移指令

圖5-9 SHR_W 字右移指令符號

SHR_W（字右移指令）可以由使能（EN）輸入端的邏輯“1”信號激活。SHR_W 指令用于將輸入IN 位的位 0 到位15 逐位右移。位16 到位 31 不受影響。輸入N 指定移位的位數(shù)。如果N 大于16，該命令將“0”寫入輸出 OUT，并將狀態(tài)字中的位 CC 0 和OV 清零。從左邊到需填充空出位的所有位將填入N 個零。移位操作的結(jié)果可以在輸OUT 中掃描。如果N 不等于“0” ，則通過 SHR_W 指令將 CC0位和OV 位清零。ENO 和EN 具有相同的信號狀態(tài)。

SHR_W字右移指令應用舉例：

圖5-10 SHR_W字右移指令應用舉例

如果 I0.0 為邏輯“1”，則 SHR_W 方塊激活。MW0 裝入，并右移使用 MW2 指定的位數(shù)。其結(jié)果被寫入 MW4 中。Q4.0 置位。

5.4 程序的編寫

5.4.1 程序流程圖

開始→首次選擇步進速度→正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)起動→移位寄存器賦初值→高速、中速、或低速中其中一個速度→發(fā)生移位脈沖→執(zhí)行移位→移位輸出控制步進電機→六拍計數(shù)到→移位寄存器賦初值→六拍計數(shù)沒到→繼續(xù)執(zhí)行

圖5-11 步進電機運行時的程序框圖

5.4.2 軟件模塊

以工作框圖為基本依據(jù)，結(jié)合考慮控制的具體要求，首先可將梯形圖程序分成4個模塊進行編程，1：步進速度選擇；2：起動、停止和清零；3：移位步進控制功能模塊；4：A、B、C三相繞組對象控制。然后，將各模塊進行連接，最后經(jīng)過調(diào)試、完善、實現(xiàn)控制要求。

5.4.3. 梯形圖程序設計

控制步進電機的各輸入開關及控制A、B、C三相繞組工作的輸出端在PLC中的I/O編址如下： 

表5-1 輸入輸出地址

采用移位指令進行步進控制。首先指定移位寄存器MW0（16位），移位寄存器的初值如下：

表5-2 移位寄存器初值

按照三相六拍的步進順序每右移1位，電機前進一個步距角（一拍），完成六拍后重新賦初值。其中，M0.6和M0.7始終為“0”。據(jù)此，可作出移位寄存器輸出狀態(tài)及步進電機正反轉(zhuǎn)繞組的狀態(tài)真值表，從而得出三相繞組的控制邏輯關系式見表5.3 。

表5-3 三相繞組的控制邏輯關系式

從而設計出程序的梯形圖見附錄。編寫好梯形圖程序后，點擊【保存】，然后點擊【下載】，將程序下載到PLC中，即可運行。點擊眼鏡圖標的【監(jiān)視】命令，可打開對程序的監(jiān)視。

5.5 程序設計的說明

低速時按下I1.0上升沿觸發(fā)，而中速I1.1和高速I1.2與I1.0閉合觸點串連形成互鎖，利用傳送指令MOVE將數(shù)字50傳送到移位寄存器VW100。I0.0和I0.1是正反轉(zhuǎn)按鈕，I0.2是停止及清零按鈕，當正轉(zhuǎn)時按下I0.0， 而I0.0常開和I0.1，I0.2閉合觸點形成串連，目的形成互鎖，使正轉(zhuǎn)時，反轉(zhuǎn)不能啟動。當按下正轉(zhuǎn)I0.0時與常閉觸點I0.1和I0.2串連，要想停止按下I0.2，不論處在正傳或反轉(zhuǎn)都會停止。停止按鈕I0.2的常開觸點與控制正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)的輔助常閉觸點相串連將0通過傳送指令送到移位寄存器MW0中。啟動正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)都能使移位寄存器都能從A相開始使，這樣電機不存在累積誤差，正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)輔助觸點相并聯(lián)經(jīng)過上升沿觸發(fā)在與遞增計數(shù)CO相并聯(lián)將二進制100000通過傳送指令傳送到移位寄存器MWO控制電機的拍數(shù)。通過遞增計數(shù)CO啟動M3.0。當增加到六次時CO輔助觸點閉合，啟動M3.0使增計數(shù)器復位從新開始計數(shù)，接通延時定時器的目的，決定移位的快慢。VW100的值不一樣，脈沖的頻率不一樣。SHR_W右移字指令通過T6產(chǎn)生一個脈沖，移動一位。M2.0的作用給一個脈沖M2.0得電閉合一次遞增計數(shù)就加一次，當增加到六次時，遞增計數(shù)器動作，他的輔助觸點閉合，M3.0動作遞增計數(shù)器復位。通過移位寄存器輸出狀態(tài)及步進電機繞組狀態(tài)真值表可以看出控制電機的正反轉(zhuǎn)。中速，高速控制方式和低速相同。

5.6 STEP7的硬件組態(tài)

為了生成一個新項目，完成系統(tǒng)硬件配置文件并將其下載，完成系統(tǒng)硬件組態(tài)步驟如下：

1．雙擊SIMATIC Manager圖標，打開STEP7 主畫面。點擊【新建N…】，輸入文件名稱（GaoChao PLC）和文件夾地址，然后點擊【確定】，系統(tǒng)將自動生成（GaoChao PLC）項目。

圖5-12 新建項目

2．點亮（GaoChao PLC）項目名稱，點擊【插入】，【站點】，點擊SIMATIC 300 站點，將生成一個S7-300的項目。

 圖5-13 插入站點

3．點開左面的【+】，選中SIMATIC 300（1），然后選中【硬件】并雙擊，進入硬件組態(tài)畫面。  

圖5-14 進入硬件組態(tài)

4．雙擊SIMATIC 300\RACK-300，然后將Rail 拖入到左邊空白處。生成空機架。

圖5-15 創(chuàng)建機架

5．雙擊PS-300，選中電源PS 307 2A，將其拖到機架RACK的第一個插槽。

圖5-16 插入電源

6．雙擊CPU-300，雙擊CPU-315，雙擊6ES7 315-2AF00-0AB0，將其拖到機架RACK的第2個插槽。

圖5-17 插入CPU

 7．點開SM300，點開DI/DO—300選中SM323 DI16/DO16*DC24V/0.5A模塊,并將其拖入左下面的第4 槽中，一個數(shù)字輸入輸出模塊組態(tài)完畢，系統(tǒng)將自動為模塊的通道分配I/O地址（該處為I0.0 - I1.7；Q0.0 - Q1.7）。

圖5-18 插入輸入輸出模塊

8．點擊【保存并編譯】，存盤并編譯硬件組態(tài)，完成硬件組態(tài)工作。切換回剛才的界面，依次點開SIMATIC 300(1)，CPU 315，S7 程序(1)，塊，OB1。寫入附錄中的程序梯形圖，保存并下載到PLC中。程序運行時，可通過點擊【選項】，【參考數(shù)據(jù)】，【顯示】來查看每個變量的狀態(tài)。 

圖5-19 查看變量狀態(tài)

5.7 運用組態(tài)軟件監(jiān)視PLC系統(tǒng)

組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)正以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。

在組態(tài)王的硬件組態(tài)的設備設置中，添加西門子S7—300。當定義設備時選擇該PLC的驅(qū)動，地址與PLC地址位取相同值即可與PLC通訊。

圖5-20 定義PLC設備

組態(tài)和PLC之間是直接通訊的，只要監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)到PLC里，組態(tài)王就可以讀取，變量名稱和PLC的相同，直接編輯即可。定義數(shù)據(jù)變量時，I/O數(shù)據(jù)定義PLC寄存器，運行程序即可實現(xiàn)訪問PLC寄存器獲得采集的數(shù)據(jù)。上位控件（按扭等）所連接的變量，設定時和PLC的硬件地址相對應起來。

    由此可以創(chuàng)建組態(tài)王對步進電機PLC控制系統(tǒng)的組態(tài)。如圖所示：

圖5-21 組態(tài)王對S7-300控制步進電機的監(jiān)控畫面

當按下三中速度中的一個時，與之相對應的狀態(tài)指示燈亮。當按下“正轉(zhuǎn)”或者“反轉(zhuǎn)”時，步進電機以剛才選定的速度進行正傳或反轉(zhuǎn)，與之對應的轉(zhuǎn)向指示燈亮。點擊“復位”按鈕時，步進電機停止，同時復位指示燈亮。

5.8 本章小結(jié)

本章講述了STEP7軟件的使用方法，設計了PLC控制步進電機運行的程序流程圖，并依此編寫了梯形圖程序。講述了運用西門子STEP7軟件進行硬件組態(tài)的方法。并且，運用組態(tài)王軟件，設計了PLC控制步進電機運行的監(jiān)控系統(tǒng)。