PLC編程：以Siemens產品為實例的技術總結

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，是所有現代自動化中必不可少的設備，其涵蓋領域包括：

• 石油和天然氣、核電、煉鋼和廢水處理等重加工領域
• 強調控制離散任務的行業——含一般工廠自動化、自動化倉儲、包裝、食品、飲料以及醫療設備制造

在這些設備中，PLC 傳統上安裝在 DIN 導軌或者控制柜機架上。這些安裝系統配有插槽，可插入 PLC 模塊（具有運行邏輯和調度命令的 CPU）和補充電源模塊、應用特定型功能模塊以及數字、模擬 I/O 模塊。

當然，PLC 并不是自動控制的唯一選擇?；诶^電器的系統在大量應用中仍必不可少，而在許多需要采用不同程度的分布式控制的機器設計和系統中，可編程自動控制器 (PAC) 或工業 PC (IPC) 以及面板 PC（帶有控制電子設備的人機接口）則是備選方案。運行工業級微軟 Windows 操作系統的 PAC 和 IPC 尤其具有極高的設計靈活性。

所有這些控制系統都使用各種復雜的軟件進行配置、編程，使所有類型的控制設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、生產力和 IIoT 連接性能快速進行系統的構建、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點——包括可靠性。相比之下，PAC 的可靠性最高。有些供應商會允許工程師在相同的統一軟件環境中對兩種控制類型進行編程。在這樣的環境中，工程師們還能夠自由地使用各種數字式自動化、工程和運營監控工具。（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 產品，那些還擁有廣泛的可編程運動控制、感測、執行和機器接口組件產品的大型供應商通常允許在其專有的統一編程環境——即基于 PC 的 Windows 兼容軟件以及設計、配置、編程，甚至是操作和管理模塊組成的環境中對所有這些組件進行編程。當供應商的產品陣容包括預集成產品時尤其如此，例如智能電機或具有 PLC 功能的 HMI。

雖然學習過程可能會讓人望而生畏，但一旦掌握后其統一的編程環境能極大地加快機器設計。

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

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自動化軟件——擁有大量的功能和可靠性驗證。據大多數人的估計，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 和其他工業控制器功能相關的仿真和數字雙編程。在 PLC 方面，Siemens 的 STEP 7 (TIA Portal) 工程軟件從傳統的 SIMATIC STEP 7 軟件發展而來，支持 S7-1200、S7-1500 和 S7-1500 控制器的編程——以及 ET 200SP I/O CPU、傳統的 S7-300 CPU（經久不衰的行業主流產品）和 S7-400、SIMATIC WinAC 控制器。STEP 7 的專業級和特別授權副本包括了附加功能、邏輯編輯器和集成傳統工程軟件。

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 的工控替代設備進行配置、編程。Siemens 控制器的龐大生態系統提供了大量示例。

1. LOGO！邏輯模塊滿足小型和適度自動化應用，彌補了繼電器和基于微處理器的工業控制器之間的差距。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!網絡編輯器進行簡單的配置和設計操作。
2. 過程控制系統采用 Siemens SIMATIC PCS 7 控制器產品，可通過 SIMATIC PCS 7 系統軟件進行編程。
3. 用于實現分布式控制和需要 IIoT 連接的機器設備的機架（導軌）安裝、面板安裝和盒式工業 PC（IPC）離不開 Siemens SIMATIC IPC 軟件模塊，包括 IPC 圖像和分區創建器、IPC DiagMonitor、IPC 遠程管理器、IPC FirmwareManager 以及 SIMATIC 工業操作系統。
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于特定設計的物理布置（是否需要控制柜或分布式控制）以及：

• 預期的 I/O 數量，包括傳感器、開關和致動器。
• 所用的編程語言：梯形圖 (LD)、結構化控制語言 (SCL) 或功能塊圖 (FBD)、更高級的結構化文本 (ST)、基于圖形的順序功能圖 (SFC) 和連續功能圖 (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 供應商軟件編寫的 PLC 程序。這些與所關注的應用特定性操作有關，如：

• 加熱、混合、填充、計量和灌溉
• 移動、轉向、循環、定位和制動
• 抓取、切割、打孔和切片
• 焊接、打膠、標記和分配
• 感測、跟蹤、排序和指示

最先進的選項支持數字規劃、綜合工程以及透明操作。在處于運行狀態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的 PLC 信息，以滿足機器操作員、技術人員、工廠經理、甚至是企業經理的不同信息需求。

PLC 供應商軟件環境中的仿真工具也可以加快特定產品的上市時間——并提高成品產量。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 和自動化系統于 20 世紀 50 年代首次推出。今天，SIMATIC S7 產品（含本文出現的 SIMATIC S7-1500 PLC 組件）發展到已經可以支持各種不同的工業自動化應用。（圖片來源：Siemens）

最佳 PLC 功能的核心是其編程質量。所有的代碼都應該滿足軟件開發的行業標準和最佳實踐要求。除此之外，驗證過程（手動和自動）能夠揭示從關鍵錯誤到代碼低效的一切。重新考慮 SIMATIC S7 產品的編程。在 Siemens 生態系統中，TIA Portal 項目檢查應用可自動將某些代碼與這些特定 PLC 的編程風格指南所定義的規則進行比較。然后，工程師可將比較結果導出為 XML 或 Excel 文件。用戶定義的規則集（甚至是復雜類型）也可以通過 C# 或 Visual Basic (.NET) 的 Project Check 軟件開發工具包（或 SDK）添加。這個 SDK 主要用來證明程序風格。

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

在為 PLC 指定的項目編寫完成并經過驗證后，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 通過以命令聯網的執行器（通過各種信號類型）來執行其程序，并根據現場設備的反饋實現實時調節。

偶爾，一臺機器或自動化工作單元需要調節、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 默認的反饋響應。這樣會“欺騙”了 PLC，使其在運行時認為某些反饋處于某種值，而實際上并非如此——例如，當必須清除故障執行器下游的站點時，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場調節已安裝 PLC 的參數。這種調節必須參考合適的觸發器、變量值或表格、計數器和計時器。

結語

通過在大量的 Siemens 自動化和工業控制產品上工作，設計工程師能夠更深入地了解當今的控制選擇——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。