STEP 7-Workbook. Einführung in die STEP 7-Programmiersprache mit TIA-Portal, STEP 7 V5.x und WinSPS-S7. Dipl.-Ing.

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1 STEP 7-Workbook Einführung in die STEP 7-Programmiersprache mit TIA-Portal, STEP 7 V5.x und WinSPS-S7 Dipl.-Ing. (FH) Torsten Weiß Dipl.-Ing. (FH) Matthias Habermann 1. Auflage

2 Rechtliches: 2014 MHJ-Software GmbH & Co. KG Albert-Einstein-Str. 101 D Bretten Kein Teil dieses Buches darf in irgendeiner Form (Druck, Fotokopie, Mikrofilm oder einem anderen Verfahren) ohne schriftliche Genehmigung von MHJ-Software reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Warenzeichen: STEP, SIMATIC, TIA-Portal, S7-300 und S7-400 sind eingetragene Warenzeichen der SIEMENS Aktiengesellschaft. Bildquellen: Die folgenden Firmen haben die Autoren durch Bildmaterial unterstützt: Siemens AG Alle Rechte vorbehalten Festo AG ifm electronic gmbh

3 1 Vorwort Webseite zum Buch: Vorbereitung Fragen, Anregungen Grundlagen der SPS-Technik Was ist eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)? Was ändert sich bei Verwendung einer SPS? Aufbau einer speicherprogrammierbaren Steuerung Auswahlkriterien für die Hardwarezusammenstellung einer SPS Auswahl einer SPS-Familie Auswahl der CPU Auswahl der Signalmodule Auswahl der Sondermodule Wie wird eine SPS programmiert und gesteuert? Schritt 1: Hardwareaufbau des SPS-Systems Schritt 2: Hardwarekonfiguration Schritt 3: Erstellung und Übertragen des SPS-Programms Schritt 4: Test des SPS-Programms Übungen und Wiederholungsfragen Beispiel einer Anlage mit SPS-Steuerung Wiederholungsfragen Operandenbereiche sowie Adressierung von Operanden Eingangs- und Ausgangsoperanden Merkeroperanden Lokaloperanden Daten eines Datenbausteins Timer Zähler Peripherieeingänge Peripherieausgänge Operandenübersicht Bit, Byte, Wort und Doppelwort Bit Byte Wort Doppelwort Adressierung der Operanden Schreibweise von Bitoperanden Schreibweise von Byteoperanden Schreibweisen von Wortoperanden Schreibweisen von Doppelwortoperanden Hinweis zur Adressierung: Überschneidung von Operanden Hinweis zur Adressierung: Anordnung von Hi-Byte und Lo-Byte Wie erhalten Merker ihre Adressen? Wie bekommen Eingänge und Ausgänge ihre Adressen? Steckplatzorientierte Adressvergabe Adressierung von Zeiten und Zählern STEP 7-Workbook - 3

4 4.15 Remanenz Einstellung der Remanenz für Merker, Zeiten und Zähler Einstellung der Remanenz von Datenbausteinen Begrenzung der Operanden je nach CPU-Typ Wiederholungsfragen Symbolische Programmierung Die Symbolik- bzw. Variablentabelle Welche Schritte sind notwendig, um symbolisch programmieren zu können? Definition Symbol und Variable Beispiel einer Symbolik- bzw. Variablentabelle Regeln bei der Definition in der Symbol- bzw. Variablentabelle Welche Operanden können in der Symbol- bzw. Variablentabelle angegeben werden? Wiederholungsfragen Binäre Grundverknüpfungen Darstellungsarten in STEP Beispiel zu AWL, FUP und KOP Weitere Darstellungsarten in S Vorstellung der Grundverknüpfungen Verknüpfungsergebnis VKE VKE-Begrenzung VKE-begrenzende Operationen Gemischte UND/ODER-Funktionen ohne Klammerbefehle Klammerbefehle Wichtige Hinweise zu den Klammerbefehlen Vorhandene Klammerbefehle Beispiel 1 zu Klammerbefehlen Beispiel 2 zu Klammerbefehlen Anmerkung zu Klammerbefehlen Übungen Übungsaufgabe Alarmanlage Übungsaufgabe Steuerung einer automatischen Markise Übungsaufgabe Steuerung einer Kamera Übungsaufgabe Motor mit Überlastschutz CPU-Funktionen der S7-Steuerung Bausteinstatus Bausteinstatus in den Grund-Darstellungsarten Symbol für den Beobachten-Modus in den S7-Programmiersystemen Irrtümer beim Bausteinstatus Variablentabelle bzw. Beobachtungstabelle Status in der Symbolik- bzw. PLC-Variablentabelle Diagnose- und Infofunktionen einer CPU Weitere CPU-Funktionen Übungen Speicherfunktionen (SR- und RS-Glieder) Erstes Beispiel zu den Speicheroperationen Setz- und Rücksetzdominanz Speicher in den Grund-Darstellungsarten STEP 7-Workbook -

5 8.4 Beispiel 2 zu Speicheroperationen Erzeugen der Symboliktabelle bzw. der PLC-Variablen Schreiben des SPS-Programms im OB Test des SPS-Programms an der virtuellen Anlage Der Ausgang Q des Speichers Wie funktioniert eine Speicheroperation? Beispiel 3 zu Speicheroperationen Erzeugen der Symboliktabelle bzw. der PLC-Variablen Schreiben des SPS-Programms im OB Test des SPS-Programms an der virtuellen Anlage Fazit zu Speichern Übungen und Wiederholungsfragen Übung Gartentor Übung Montageplatz Programmstrukturen und Programmbearbeitung Lineare Programmierung Erstellen des linearen SPS-Programms Analyse des linearen SPS-Programmes Strukturierte Programmierung Organisationsbausteine (OBs) Die Funktion (FC) Der Funktionsbaustein (FB) Der Datenbaustein (DB) Systemfunktionen (SFC) und Systemfunktionsbausteine (SFB) Systemdatenbausteine (SDB) Maximale Anzahl der Anwenderbausteine Aufruf einer FC Beispiel zur UC-Operation Beispiel zur CC-Operation Die CALL-Operation Aufruf eines FBs Operationen, um einen Baustein zu beenden Erstellen des strukturierten SPS-Programms Analyse des strukturierten SPS-Programmes Fazit zur linearen und strukturierten Programmierung Bearbeitung eines SPS-Programms in der CPU Prozessabbilder Betriebszustände einer S7-CPU Beispiel zur Programmbearbeitung in der CPU Reaktionszeit Reaktionszeit im günstigsten Fall Die Reaktionszeit im ungünstigsten Fall Vorteile bei der Arbeit mit dem Prozessabbild Alarmgesteuerte Programmbearbeitung Beispiel für die alarmgesteuerte Programmbearbeitung Übungen und Wiederholungsfragen Übungsaufgabe Pumpen Übungsaufgabe Wagen verschieben Flankenauswertung STEP 7-Workbook - 5

6 10.1 Erstes Beispiel zur Flankenauswertung Erzeugen der Symboliktabelle bzw. der PLC-Variablen Schreiben des SPS-Programms im OB Wie funktioniert die Flankenerkennung? Darstellung der Flankenbefehle in den verschiedenen Darstellungsarten Übungen und Wiederholungsfragen Übungsaufgabe Flankenauswertung Bausteinparameter Beispiel zu Bausteinparametern Erstellen der Symbole bzw. Variablennamen Erzeugen der FC Bedeutung der Deklarationsbereiche Zuordnung der Parameter zu den Deklarationsbereichen Erstellung des SPS-Programms in der FC Aufruf der FC1 im OB Test des SPS-Programms Erläuterung des Ablaufs Erweiterung des Beispiels zu Bausteinparametern Erweiterung der Symbol- bzw. Variablentabelle Implementierung des neuen Anlagenteils in das SPS-Programm Test des SPS-Programms Erläuterung des Ablaufs Fazit des Beispiels Bibliotheksfähige Bausteine Übungen und Wiederholungsfragen Zeitarten in S Zeitfunktion mit einem Zeitwert laden Laden einer Zeit über einen konstanten Zeitwert Weitere Möglichkeiten, eine Zeitkonstante zu laden Starten und Rücksetzen einer Zeit Binäre Abfrage einer Zeit Die Zeitart SI (Impuls) Beispiel zur Zeitart SI Die Zeitart SV (verlängerter Impuls) Beispiel zur Zeitart SV Die Zeitart SE (Einschaltverzögerung) Beispiel zur Zeitart SE Die Zeitart SS (Speichernde Einschaltverzögerung) Beispiel zur Zeitart SS Die Zeitart SA (Ausschaltverzögerung) Beispiel zur Zeitart SA Beispiel 1 zu Zeiten: Bandsteuerung Erstellen der Symbolik- bzw. Variablentabelle Programmierung der FC Programmierung des OB Test des SPS-Programms Beispiel 2 zu Zeiten: Lötstation Erstellen der Symbolik- bzw. Variablentabelle STEP 7-Workbook -

7 Programmierung der FC Programmierung des OB Test des SPS-Programms Blinktakt Beispiel 1: Blinktakt mit Timern Das Taktmerkerbyte Beispiel 2: Blinktakt mit Taktmerker Übungen und Wiederholungsfragen Programmierübung Schwimmerschalter Programmierübung Automatische WC-Spülung Programmierübung Dichtigkeitstest in einem Behälter Zähler in S Zähler setzen und rücksetzen Abfragen eines Zählers Binäre Abfrage eines Zählers Aktuellen Zählerstand eines Zählers auslesen Zähler mit einem Zählwert vorbelegen Laden eines konstanten Zählwertes Laden eines variablen Zählwertes Der Vorwärtszähler Der Rückwärtszähler Beispiel zu einem Rückwärtszähler Die verschiedenen Darstellungsarten des SIMATIC -Zählers Übungen und Wiederholungsfragen Programmieraufgabe Verkehr Programmieraufgabe Parkhaus Programmieraufgabe Labyrinth Programmieraufgabe Flaschenspiel Programmieraufgabe Prüfvorrichtung Programmieraufgabe Bad Die Bausteinart DB Aussehen der DB-Editoren Was ist eine Struktur? Beispiel zur Erläuterung von Globaldatenbausteinen Beispiel zum Erstellen eines Globaldatenbausteins in den einzelnen S7- Programmiersystemen Zugriff auf Daten im DB Zugriff auf DB-Daten über absolute Adressierung Nachteile des absoluten Zugriffs auf DB-Variablen Erklärung der Begriffe Anfangswert, Aktualwert, Startwert Beobachten eines DBs Die CPU-Funktion RAM nach ROM kopieren Handhabung von DBs in den einzelnen Programmiersystemen Übungsaufgaben Lade- und Transferoperationen Laden von Bytes Laden von Wörtern Laden von Doppelwörtern STEP 7-Workbook - 7

8 15.4 Elementare Datentypen Zusammengesetzte Datentypen Laden von Konstanten Bedingtes Laden und Transferieren Wiederholungsfragen Register der CPU Akkumulatoren Adressregister DB-Register Das Statuswort Fazit Die Bausteinart FB Eigenschaften eines Funktionsbausteins Beispiel zu Funktionsbausteinen Erstellen der Symbolik- bzw. Variablentabelle Programmierung des Funktionsbausteins Programmierung der Funktion Erster Aufruf des FBs mit dem Instanz-DB Zweiter Aufruf des FBs mit dem Instanz-DB Dritter Aufruf des FBs mit dem Instanz-DB Angabe der Grenzwerte in den Instanz-DBs Programmierung des OB Test des SPS-Programms Fazit des Beispiels Aufruf eines Funktionsbausteines ohne Angabe von Aktualparametern Unterschied Instanzdatenbaustein und Globaldatenbaustein Der Parameterbereich statische Lokaldaten Übung und Wiederholungsfragen Übungsaufgabe Treppenhausschaltung einer großen Wohnanlage Schrittkettenprogrammierung Beispiel zur Schrittkettenprogrammierung Zerlegung des Gesamtablaufs in Einzelschritte Erstellen der Symbolik- bzw. Variablentabelle Planung des SPS-Programms Warum die Schrittkette in einem FB programmieren? FB erzeugen und die Parameter festlegen Schritt Schritt Schritt Schritt Schritt Schritt Schritt Schritt Schritt Schritt Schritt Verhindern eines erneuten Starts der Schrittkette STEP 7-Workbook -

9 Programmierung der FC mit den Zuweisungen an die Ausgänge Programmierung des OB Rücksetzen der Schrittkette beim Anlauf der CPU Test des SPS-Programms Regeln bei der Schrittkettenprogrammierung GRAFCET Erklärung einiger GRAFCET-Elemente Erstellen des GRAFCET-Plans für die Lackieranlage Test des GRAFCET-Plans Fazit der Beschreibung des Ablaufs mit GRAFCET Übung Torfbefüllungsanlage Zahlensysteme Das Dezimalsystem Das duale Zahlensystem Hexadezimalsystem Umwandlung einer Dualzahl in eine Hexzahl Das BCD-Zahlensystem (binary coded decimal) Wiederholungsfragen Vergleicher Auswertung der Vergleichsfunktionen Beispiel zu Vergleichern Erstellen der Symbolik- bzw. Variablentabelle Programmierung des OB Test des SPS-Programms Fazit Wiederholungsfragen und Übungen Wiederholungsfragen Vergleicher Übung Absaugvorrichtung Arithmetische Operationen Wiederholungsfragen Arithmetik Sprungoperationen Beispiel zu Sprungoperationen Erstellen der Symbolik- bzw. Variablentabelle Programmierung der FC Programmierung des OB Test und Analyse des SPS-Programms Syntax der Sprungoperationen Verwendung von Sprüngen in FUP/KOP Probleme beim Überspringen von Operationen Vorsicht beim Überspringen von Timern Vorsicht bei Flankenoperationen Fazit Übungen und Wiederholungsfragen Wiederholungsfragen Übung Sprungbefehle Übung Sprungbefehle Praktische Programmiertipps STEP 7-Workbook - 9

10 23.1 Verwaltungsfunktionen für das SPS-Programm Der Belegungsplan Die Querverweisliste Programm- oder Aufrufstruktur Inkonsistentes SPS-Programm Ursachen für Konsistenzfehler Fehlersuche im SPS-Programm Der Diagnosepuffer Der Baustein-Stack (B-Stack) Der Unterbrechungs-Stack (U-Stack) Aufrufumgebung Beispiel zur Aufrufumgebung Auffinden von sporadischen Fehlern im SPS-Programm Fazit Übungen und Wiederholungsfragen Analogwertverarbeitung Erstes Beispiel zur Analogwertverarbeitung Erstellen der Symbolik- bzw. Variablentabelle Programmierung des OB Test des SPS-Programms Fazit des Beispiels Zweites Beispiel zur Analogwertverarbeitung Erstellen der Symbolik- bzw. Variablentabelle Programmierung der FC Programmierung des OB Test des SPS-Programms Fazit Wiederholungsfragen Zweipunktregler Beispiel zu Zweipunktregler Erstellen der Symbolik- bzw. Variablentabelle Erstellen der FC Test des SPS-Programms Fazit Bussysteme Kommunikationsebenen Bus-Topologien Baum Linie Stern Ring PROFIBUS-DP Gerätedefinitionen Gerätestammdatei (GSD) Netz-Aufbau Adressierung der Busteilnehmer Beispiel einer PROFIBUS-DP-Konfiguration PROFINET STEP 7-Workbook -

11 Gerätedefinitionen Gerätestammdatei (GSD) Netz-Aufbau Adressierung Beispiel einer PROFINET-Konfiguration AS-Interface Gerätedefinitionen Netz-Aufbau Adressierung der Busteilnehmer Verwendung von AS-Interface-Geräten im S7-Umfeld Fazit Wiederholungsfragen A. Einführungsbeispiel TIA-Portal A.1 Begriffserklärung A.2 Aufgabenstellung A.3 Start des TIA-Portals von Siemens A.4 Gerät konfigurieren A.4.1 Hinzufügen der CPU A.5 IP-Adresse in der CPU einstellen A.5.1 Auf welche IP-Adresse ist die CPU einzustellen? A.5.2 IP-Adresse der CPU in der Hardwarekonfiguration einstellen A.6 Übersetzen der CPU-Konfiguration A.7 Erstellen der Variablentabelle (Symbolik) A.8 Erzeugen eines Bausteins und Einstellen der Darstellungsart A.9 Erstellen des SPS-Programms A.10 Bausteine übersetzen A.11 Prozess-Simulation SPS-VISU starten und Anlagenprojekt laden bzw. erzeugen A.12 SPS-Programm in SPS übertragen A.13 Bausteine beobachten über den Bausteinstatus A.14 Test des SPS-Programms mit SPS-VISU B. Einführungsbeispiel SIMATIC -Manager B.1 Aufgabenstellung B.2 Start des SIMATIC -Managers von Siemens und Erzeugen eines Projektes B.3 Neue Station 300 einfügen B.4 Hardwarekonfiguration der S7-CPU B.4.1 Profilschiene einfügen B.4.2 Auf welche IP-Adresse ist die CPU einzustellen? B.4.3 Einfügen der CPU und Einstellen der IP-Adresse B.5 Erzeugen eines Bausteins und Einstellen der Darstellungsart B.6 Erstellen der Symboliktabelle B.7 Erstellen des SPS-Programms B.8 Einstellen der PG/PC-Schnittstelle des SIMATIC -Managers B.9 Prozess-Simulation SPS-VISU starten und Anlagen-Projekt laden bzw. erzeugen B.10 Übertragen der Bausteine in die CPU B.11 Baustein beobachten über den Bausteinstatus B.11.1 Betriebszustand der CPU in RUN schalten B.12 Test des SPS-Programms mit SPS-VISU C. Einführungsbeispiel WinSPS-S7 V C.1 Aufgabenstellung STEP 7-Workbook

12 C.2 Start von WinSPS-S7 und Öffnen der Standard-Projektmappe C.3 Erstellen der Symboliktabelle C.4 Öffnen des Bausteins OB C.5 Erstellen des SPS-Programms C.6 Einstellen des Ziels in WinSPS-S7 V C.7 Prozess-Simulation SPS-VISU starten und Anlagen-Projekt laden bzw. erzeugen C.8 Übertragen der Bausteine in die CPU C.9 Baustein beobachten über den Bausteinstatus C.9.1 Betriebszustand der CPU in RUN schalten C.10 Test des SPS-Programms mit SPS-VISU C.11 Ansprechen einer externen CPU mit WinSPS-S7 V D. Die Beobachtungstabelle (Status-Variable) im TIA-Portal E. Die Variablentabelle (Status-Variable) in WinSPS-S7 V F. Die Variablentabelle (Status-Variable) des SIMATIC -Managers G. Erstellen eines Globaldatenbausteins mit dem TIA-Portal G.1 Erzeugen eines neuen Globaldatenbausteins G.2 Der DB-Editor G.2.1 Erläuterung der Spalten innerhalb des DB-Editors G.2.2 Eingabe der DB-Variablen G.3 Zugriff auf den DB H. Erstellen eines Globaldatenbausteins mit dem SIMATIC -Manager H.1 Erzeugen eines neuen Globaldatenbausteins H.2 Der DB-Editor H.2.1 Eingabe der DB-Variablen H.3 Zugriff auf den DB I. Erstellen eines Globaldatenbausteins mit WinSPS-S7 V I.1 Erzeugen eines neuen Globaldatenbausteins I.2 Der DB-Editor I.2.1 Erläuterung der Spalten innerhalb der Tabellen des DB-Editors I.2.2 Eingabe der DB-Variablen I.3 Zugriff auf den DB J. Index STEP 7-Workbook -

13 1 Vorwort 1 Vorwort Das vorliegende Buch beschäftigt sich mit der Programmiersprache STEP 7. Sie ist die am häufigsten verwendete Programmiersprache für SPS-Steuerungen in Europa. Mit STEP 7 werden die CPU- Familien S7-300 /400 von SIEMENS programmiert. Wie bei jeder Programmiersprache erlernt man auch STEP 7 am schnellsten, wenn man selbst praktische Übungen durchführt. Wir hätten Sie jetzt am liebsten in eine Industriehalle eingeladen, in der viele verschiedene Test-Anlagen aufgebaut sind, mit denen Sie Ihre Lösungen ausprobieren können. Das scheitert aber an der finanziellen Hürde. Wir haben aber dazu eine sehr gute Alternative: Wir liefern Ihnen die Anlagensimulation SPS-VISU samt vielen virtuellen Anlagen frei Haus! Dessen Software-SPS ist genauso zu programmieren wie eine reale S CPU. Auch die S7-Programmiersoftware WinSPS-S7 ist Bestandteil dieses Buches. Mit diesen mitgelieferten, nicht zeitlich begrenzten Vollversionen (Starter-Editionen) können Sie die Theorie sofort in die Praxis umsetzen. Sie können aber auch Ihre vorhandene STEP 7 V5.x- bzw. das TIA-Portal (beide von SIEMENS) verwenden. Das vorliegende Buch geht auf die folgenden drei S7-Programmiersysteme ein: TIA-Portal von Siemens SIMATIC -Manager von Siemens WinSPS-S7 von MHJ-Software Sie können die Übungen in diesem Buch mit einem der drei Tools bearbeiten. Um die Übungen interessanter zu machen, werden virtuelle Anlagen für SPS-VISU mitgeliefert. SPS-VISU ist kompatibel mit allen hier genannten Programmiertools. Weiteres dazu finden Sie im nächsten Abschnitt Vorbereitung. Die Oberflächen und Darstellungen der einzelnen Programmiertools unterscheiden sich teilweise erheblich. Es macht auch einen Unterschied, ob das SPS-Programm mit dem SIMATIC -Manager oder dem TIA-Portal erstellt wird, obwohl beide Programme von Siemens stammen. Da in immer kürzeren Abständen neue Versionen der Programmierumgebungen erscheinen, ist es wichtig, dass man sich als SPS-Programmierer weniger auf die Programmoberflächen bezieht. Ziel ist es, die SPS-Programmierung mit der Sprache STEP 7 von Siemens zu erlernen, um Automatisierungsaufgaben lösen zu können. Das Werkzeug hierfür wird sich stetig ändern, die Theorie dahinter ist immer die Gleiche. Viele der im Buch gemachten Aussagen gelten für die gesamte SPS-Technik und nicht nur für SIMATIC -S7. Andere SPS-Systeme arbeiten unter der Haube ähnlich, auch wenn sich die Syntax der Programmiersprache etwas unterscheidet. Hat man die Funktionsweise einer SPS verinnerlicht, dann fällt die Einarbeitung in die verschiedenen SPS-Systeme nicht mehr schwer, da man auf viel Bekanntes trifft. In diesem Buch werden die S7-Themen allgemein erläutert und nur, wenn die Notwendigkeit besteht, explizit auf ein Programmiersystem eingegangen. Die Handhabung bzw. die Besonderheiten der drei Programmiersysteme werden in entsprechenden Kapiteln im Anhang erläutert. Des Weiteren stehen Videos zur Verfügung, die ebenfalls auf bestimmte Sachverhalte der einzelnen Programmiersysteme eingehen. STEP 7-Workbook