PLC編程：以Siemens產(chǎn)品為實例的技術(shù)總結(jié)

可編程邏輯控制器 (PLC) 就是一種基于微處理器的、堅固耐用的電子裝置，是所有現(xiàn)代自動化中必不可少的設(shè)備，其涵蓋領(lǐng)域包括：

• 石油和天然氣、核電、煉鋼和廢水處理等重加工領(lǐng)域
• 強調(diào)控制離散任務(wù)的行業(yè)——含一般工廠自動化、自動化倉儲、包裝、食品、飲料以及醫(yī)療設(shè)備制造

在這些設(shè)備中，PLC 傳統(tǒng)上安裝在 DIN 導(dǎo)軌或者控制柜機架上。這些安裝系統(tǒng)配有插槽，可插入 PLC 模塊（具有運行邏輯和調(diào)度命令的 CPU）和補充電源模塊、應(yīng)用特定型功能模塊以及數(shù)字、模擬 I/O 模塊。

當(dāng)然，PLC 并不是自動控制的唯一選擇。基于繼電器的系統(tǒng)在大量應(yīng)用中仍必不可少，而在許多需要采用不同程度的分布式控制的機器設(shè)計和系統(tǒng)中，可編程自動控制器 (PAC) 或工業(yè) PC (IPC) 以及面板 PC（帶有控制電子設(shè)備的人機接口）則是備選方案。運行工業(yè)級微軟 Windows 操作系統(tǒng)的 PAC 和 IPC 尤其具有極高的設(shè)計靈活性。

所有這些控制系統(tǒng)都使用各種復(fù)雜的軟件進行配置、編程，使所有類型的控制設(shè)計比以往任何時候都更先進、更方便用戶。這反過來又使得 OEM 機器制造商和工廠工程師能夠以最大的效率、生產(chǎn)力和 IIoT 連接性能快速進行系統(tǒng)的構(gòu)建、升級和遷移。

對控制器進行編程的工具——含 PLC

圖 1：PLC 具有專用硬件的所有優(yōu)點——包括可靠性。相比之下，PAC 的可靠性最高。有些供應(yīng)商會允許工程師在相同的統(tǒng)一軟件環(huán)境中對兩種控制類型進行編程。在這樣的環(huán)境中，工程師們還能夠自由地使用各種數(shù)字式自動化、工程和運營監(jiān)控工具。（圖片來源：Siemens）

今天，幾乎所有的 PLC 都是通過基于 PC 的軟件進行配置、編程的。除了一般的自動化和 PLC 產(chǎn)品，那些還擁有廣泛的可編程運動控制、感測、執(zhí)行和機器接口組件產(chǎn)品的大型供應(yīng)商通常允許在其專有的統(tǒng)一編程環(huán)境——即基于 PC 的 Windows 兼容軟件以及設(shè)計、配置、編程，甚至是操作和管理模塊組成的環(huán)境中對所有這些組件進行編程。當(dāng)供應(yīng)商的產(chǎn)品陣容包括預(yù)集成產(chǎn)品時尤其如此，例如智能電機或具有 PLC 功能的 HMI。

雖然學(xué)習(xí)過程可能會讓人望而生畏，但一旦掌握后其統(tǒng)一的編程環(huán)境能極大地加快機器設(shè)計。

這種軟件環(huán)境的一個好處是，提供準(zhǔn)確無誤、普遍適用的可編程符號、變量或標(biāo)簽 名稱數(shù)據(jù)庫。這些是分配給組件（包括 PLC ）地址的可讀字母數(shù)字名稱，可改善復(fù)雜寄存器地址的直接使用情況——這是之前的標(biāo)準(zhǔn)做法。作為對這些可分類和可搜索設(shè)備標(biāo)簽的補充，還有包含豐富信息的機器和工作單元標(biāo)簽，以及那些用于諸如自動、手動、電機運行、故障或復(fù)位等常見機器功能的標(biāo)簽。

我們來考慮 Siemens STEP 7 全集成自動 (TIA Portal) 軟件。該軟件包括適合各種特定用途的軟件包，可通過 Siemens SIMATIC (SiemensAutomatic) 軟件管理環(huán)境訪問。STEP 7 軟件便于說明 PLC 編程的最常見方法，因為它是全球使用最廣泛的工業(yè)自動化軟件——擁有大量的功能和可靠性驗證。據(jù)大多數(shù)人的估計，在全球所有 PLC 裝置中將近 1/3 的 PLC 裝置采用了 Siemens PLC。

使用這款軟件，工程師可以創(chuàng)建過程控制、離散自動化、能源管理、人機界面可視化，或與 PLC 和其他工業(yè)控制器功能相關(guān)的仿真和數(shù)字雙編程。在 PLC 方面，Siemens 的 STEP 7 (TIA Portal) 工程軟件從傳統(tǒng)的 SIMATIC STEP 7 軟件發(fā)展而來，支持 S7-1200、S7-1500 和 S7-1500 控制器的編程——以及 ET 200SP I/O CPU、傳統(tǒng)的 S7-300 CPU（經(jīng)久不衰的行業(yè)主流產(chǎn)品）和 S7-400、SIMATIC WinAC 控制器。STEP 7 的專業(yè)級和特別授權(quán)副本包括了附加功能、邏輯編輯器和集成傳統(tǒng)工程軟件。

雖然超出了本文范圍，但值得注意的是，我們可以使用互補型軟件對多功能 PLC 的工控替代設(shè)備進行配置、編程。Siemens 控制器的龐大生態(tài)系統(tǒng)提供了大量示例。

1. LOGO！邏輯模塊滿足小型和適度自動化應(yīng)用，彌補了繼電器和基于微處理器的工業(yè)控制器之間的差距。邏輯模塊通過 Siemens LOGO! 軟件與 Soft Comfort 工程軟件的軟件、LOGO!訪問工具和 LOGO!網(wǎng)絡(luò)編輯器進行簡單的配置和設(shè)計操作。
2. 過程控制系統(tǒng)采用 Siemens SIMATIC PCS 7 控制器產(chǎn)品，可通過 SIMATIC PCS 7 系統(tǒng)軟件進行編程。
3. 用于實現(xiàn)分布式控制和需要 IIoT 連接的機器設(shè)備的機架（導(dǎo)軌）安裝、面板安裝和盒式工業(yè) PC（IPC）離不開 Siemens SIMATIC IPC 軟件模塊，包括 IPC 圖像和分區(qū)創(chuàng)建器、IPC DiagMonitor、IPC 遠(yuǎn)程管理器、IPC FirmwareManager 以及 SIMATIC 工業(yè)操作系統(tǒng)。
4. 作為在機 (on-machine) 控制的面板安裝式電腦，HMI 采用 SIMATIC WinCC Unified (TIA Portal) 軟件以及 SIMATIC WinCC (TIA Portal)、WinCC flexible、WinCC V7、WinCC OA、ProAgent 過程診斷軟件、移動設(shè)備通知軟件等。

以在線云端選擇工具（或離線變體）的形式，通過更多的軟件簡化在 SIMATIC PLC 和其他機器控制器之間的選擇，軟件會詢問工程師關(guān)于特定設(shè)計的物理布置（是否需要控制柜或分布式控制）以及：

• 預(yù)期的 I/O 數(shù)量，包括傳感器、開關(guān)和致動器。
• 所用的編程語言：梯形圖 (LD)、結(jié)構(gòu)化控制語言 (SCL) 或功能塊圖 (FBD)、更高級的結(jié)構(gòu)化文本 (ST)、基于圖形的順序功能圖 (SFC) 和連續(xù)功能圖 (CFC) 或更高級的語言。
• 所需的運動控制水平（如適用）——從簡單的速度和位置控制，到電子凸輪和高級運動學(xué)控制。
• 硬件偏好以及在 IPC 上運行的軟件 PLC 程序是否最適合的。

PLC 程序項目

項目中通常包含用 PLC 供應(yīng)商軟件編寫的 PLC 程序。這些與所關(guān)注的應(yīng)用特定性操作有關(guān)，如：

• 加熱、混合、填充、計量和灌溉
• 移動、轉(zhuǎn)向、循環(huán)、定位和制動
• 抓取、切割、打孔和切片
• 焊接、打膠、標(biāo)記和分配
• 感測、跟蹤、排序和指示

最先進的選項支持?jǐn)?shù)字規(guī)劃、綜合工程以及透明操作。在處于運行狀態(tài)的特定用戶顯示屏上通過 HMI 可以輕松地進行這種操作。換句話說，這種 PLC 軟件允許在不同的顯示器上顯示相關(guān)的 PLC 信息，以滿足機器操作員、技術(shù)人員、工廠經(jīng)理、甚至是企業(yè)經(jīng)理的不同信息需求。

PLC 供應(yīng)商軟件環(huán)境中的仿真工具也可以加快特定產(chǎn)品的上市時間——并提高成品產(chǎn)量。能量管理功能和診斷進一步完善了這套基于軟件的改進措施。

用軟件編寫的程序驗證和加載 PLC

圖 2：Siemens SIMATIC PLC 和自動化系統(tǒng)于 20 世紀(jì) 50 年代首次推出。今天，SIMATIC S7 產(chǎn)品（含本文出現(xiàn)的 SIMATIC S7-1500 PLC 組件）發(fā)展到已經(jīng)可以支持各種不同的工業(yè)自動化應(yīng)用。（圖片來源：Siemens）

最佳 PLC 功能的核心是其編程質(zhì)量。所有的代碼都應(yīng)該滿足軟件開發(fā)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和最佳實踐要求。除此之外，驗證過程（手動和自動）能夠揭示從關(guān)鍵錯誤到代碼低效的一切。重新考慮 SIMATIC S7 產(chǎn)品的編程。在 Siemens 生態(tài)系統(tǒng)中，TIA Portal 項目檢查應(yīng)用可自動將某些代碼與這些特定 PLC 的編程風(fēng)格指南所定義的規(guī)則進行比較。然后，工程師可將比較結(jié)果導(dǎo)出為 XML 或 Excel 文件。用戶定義的規(guī)則集（甚至是復(fù)雜類型）也可以通過 C# 或 Visual Basic (.NET) 的 Project Check 軟件開發(fā)工具包（或 SDK）添加。這個 SDK 主要用來證明程序風(fēng)格。

表 1：驗證 PLC 編程時可采用人工和自動方法——后者對于驗證風(fēng)格和技術(shù)特別有用。（圖標(biāo)來源：Siemens）

在為 PLC 指定的項目編寫完成并經(jīng)過驗證后，必須將其加載至該 PLC 上。在許多情況下，個人電腦（通常是筆記本電腦）通過以太網(wǎng)電纜或 PLC COMM 適配器的個人電腦專用 USB 連接至 PLC——將程序載到 PLC 微電子設(shè)備上。然后，PLC 通過 I/O 模塊與受控組件連接。在啟動時進行額外驗證后，PLC 通過以命令聯(lián)網(wǎng)的執(zhí)行器（通過各種信號類型）來執(zhí)行其程序，并根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的反饋實現(xiàn)實時調(diào)節(jié)。

偶爾，一臺機器或自動化工作單元需要調(diào)節(jié)、排除故障或維修——以及（通過 PLC 的某類型編程 PC 連接）以強制方法覆蓋的 PLC 默認(rèn)的反饋響應(yīng)。這樣會“欺騙”了 PLC，使其在運行時認(rèn)為某些反饋處于某種值，而實際上并非如此——例如，當(dāng)必須清除故障執(zhí)行器下游的站點時，就采用了這種策略。在其他情況下，機器或工作單元可能需要通過修改來現(xiàn)場調(diào)節(jié)已安裝 PLC 的參數(shù)。這種調(diào)節(jié)必須參考合適的觸發(fā)器、變量值或表格、計數(shù)器和計時器。

結(jié)語

通過在大量的 Siemens 自動化和工業(yè)控制產(chǎn)品上工作，設(shè)計工程師能夠更深入地了解當(dāng)今的控制選擇——包括 PLC 和其他類型的硬件。無論最終為自動安裝選擇何種品牌或硬件子類型，都是如此。