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PLC编程:以Siemens产品为实例的技术总结

物联网评论

描述

可编程逻辑控制器 (PLC) 就是一种基于微处理器的、坚固耐用的电子装置,是所有现代自动化中必不可少的设备,其涵盖领域包括:

  • 石油和天然气、核电、炼钢和废水处理等重加工领域
  • 强调控制离散任务的行业——含一般工厂自动化、自动化仓储、包装、食品、饮料以及医疗设备制造

在这些设备中,PLC 传统上安装在 DIN 导轨或者控制柜机架上。这些安装系统配有插槽,可插入 PLC 模块(具有运行逻辑和调度命令的 CPU)和补充电源模块、应用特定型功能模块以及数字、模拟 I/O 模块。

当然,PLC 并不是自动控制的唯一选择。基于继电器的系统在大量应用中仍必不可少,而在许多需要采用不同程度的分布式控制的机器设计和系统中,可编程自动控制器 (PAC) 或工业 PC (IPC) 以及面板 PC(带有控制电子设备的人机接口)则是备选方案。运行工业级微软 Windows 操作系统的 PAC 和 IPC 尤其具有极高的设计灵活性。

所有这些控制系统都使用各种复杂的软件进行配置、编程,使所有类型的控制设计比以往任何时候都更先进、更方便用户。这反过来又使得 OEM 机器制造商和工厂工程师能够以最大的效率、生产力和 IIoT 连接性能快速进行系统的构建、升级和迁移。

对控制器进行编程的工具——含 PLC

PLC 和 PAC 的统一软件控制环境

图 1:PLC 具有专用硬件的所有优点——包括可靠性。相比之下,PAC 的可靠性最高。有些供应商会允许工程师在相同的统一软件环境中对两种控制类型进行编程。在这样的环境中,工程师们还能够自由地使用各种数字式自动化、工程和运营监控工具。(图片来源:Siemens)

今天,几乎所有的 PLC 都是通过基于 PC 的软件进行配置、编程的。除了一般的自动化和 PLC 产品,那些还拥有广泛的可编程运动控制、感测、执行和机器接口组件产品的大型供应商通常允许在其专有的统一编程环境——即基于 PC 的 Windows 兼容软件以及设计、配置、编程,甚至是操作和管理模块组成的环境中对所有这些组件进行编程。当供应商的产品阵容包括预集成产品时尤其如此,例如智能电机或具有 PLC 功能的 HMI。

虽然学习过程可能会让人望而生畏,但一旦掌握后其统一的编程环境能极大地加快机器设计。

这种软件环境的一个好处是,提供准确无误、普遍适用的可编程符号、变量或标签 名称数据库。这些是分配给组件(包括 PLC )地址的可读字母数字名称,可改善复杂寄存器地址的直接使用情况——这是之前的标准做法。作为对这些可分类和可搜索设备标签的补充,还有包含丰富信息的机器和工作单元标签,以及那些用于诸如自动、手动、电机运行、故障或复位等常见机器功能的标签。

我们来考虑 Siemens STEP 7 全集成自动 (TIA Portal) 软件。该软件包括适合各种特定用途的软件包,可通过 Siemens SIMATIC (SiemensAutomatic) 软件管理环境访问。STEP 7 软件便于说明 PLC 编程的最常见方法,因为它是全球使用最广泛的工业自动化软件——拥有大量的功能和可靠性验证。据大多数人的估计,在全球所有 PLC 装置中将近 1/3 的 PLC 装置采用了 Siemens PLC。

使用这款软件,工程师可以创建过程控制、离散自动化、能源管理、人机界面可视化,或与 PLC 和其他工业控制器功能相关的仿真和数字双编程。在 PLC 方面,Siemens 的 STEP 7 (TIA Portal) 工程软件从传统的 SIMATIC STEP 7 软件发展而来,支持 S7-1200、S7-1500 和 S7-1500 控制器的编程——以及 ET 200SP I/O CPU、传统的 S7-300 CPU(经久不衰的行业主流产品)和 S7-400、SIMATIC WinAC 控制器。STEP 7 的专业级和特别授权副本包括了附加功能、逻辑编辑器和集成传统工程软件。

虽然超出了本文范围,但值得注意的是,我们可以使用互补型软件对多功能 PLC 的工控替代设备进行配置、编程。Siemens 控制器的庞大生态系统提供了大量示例。

  1. LOGO!逻辑模块满足小型和适度自动化应用,弥补了继电器和基于微处理器的工业控制器之间的差距。逻辑模块通过 Siemens LOGO! 软件与 Soft Comfort 工程软件的软件、LOGO!访问工具和 LOGO!网络编辑器进行简单的配置和设计操作。
  2. 过程控制系统采用 Siemens SIMATIC PCS 7 控制器产品,可通过 SIMATIC PCS 7 系统软件进行编程。
  3. 用于实现分布式控制和需要 IIoT 连接的机器设备的机架(导轨)安装、面板安装和盒式工业 PC(IPC)离不开 Siemens SIMATIC IPC 软件模块,包括 IPC 图像和分区创建器、IPC DiagMonitor、IPC 远程管理器、IPC FirmwareManager 以及 SIMATIC 工业操作系统。
  4. 作为在机 (on-machine) 控制的面板安装式电脑,HMI 采用 SIMATIC WinCC Unified (TIA Portal) 软件以及 SIMATIC WinCC (TIA Portal)、WinCC flexible、WinCC V7、WinCC OA、ProAgent 过程诊断软件、移动设备通知软件等。

以在线云端选择工具(或离线变体)的形式,通过更多的软件简化在 SIMATIC PLC 和其他机器控制器之间的选择,软件会询问工程师关于特定设计的物理布置(是否需要控制柜或分布式控制)以及:

  • 预期的 I/O 数量,包括传感器、开关和致动器。
  • 所用的编程语言:梯形图 (LD)、结构化控制语言 (SCL) 或功能块图 (FBD)、更高级的结构化文本 (ST)、基于图形的顺序功能图 (SFC) 和连续功能图 (CFC) 或更高级的语言。
  • 所需的运动控制水平(如适用)——从简单的速度和位置控制,到电子凸轮和高级运动学控制。
  • 硬件偏好以及在 IPC 上运行的软件 PLC 程序是否最适合的。

PLC 程序项目

项目中通常包含用 PLC 供应商软件编写的 PLC 程序。这些与所关注的应用特定性操作有关,如:

  • 加热、混合、填充、计量和灌溉
  • 移动、转向、循环、定位和制动
  • 抓取、切割、打孔和切片
  • 焊接、打胶、标记和分配
  • 感测、跟踪、排序和指示

最先进的选项支持数字规划、综合工程以及透明操作。在处于运行状态的特定用户显示屏上通过 HMI 可以轻松地进行这种操作。换句话说,这种 PLC 软件允许在不同的显示器上显示相关的 PLC 信息,以满足机器操作员、技术人员、工厂经理、甚至是企业经理的不同信息需求。

PLC 供应商软件环境中的仿真工具也可以加快特定产品的上市时间——并提高成品产量。能量管理功能和诊断进一步完善了这套基于软件的改进措施。

用软件编写的程序验证和加载 PLC

Siemens SIMATIC PLC 和自动化系统的图片

图 2:Siemens SIMATIC PLC 和自动化系统于 20 世纪 50 年代首次推出。今天,SIMATIC S7 产品(含本文出现的 SIMATIC S7-1500 PLC 组件)发展到已经可以支持各种不同的工业自动化应用。(图片来源:Siemens)

最佳 PLC 功能的核心是其编程质量。所有的代码都应该满足软件开发的行业标准和最佳实践要求。除此之外,验证过程(手动和自动)能够揭示从关键错误到代码低效的一切。重新考虑 SIMATIC S7 产品的编程。在 Siemens 生态系统中,TIA Portal 项目检查应用可自动将某些代码与这些特定 PLC 的编程风格指南所定义的规则进行比较。然后,工程师可将比较结果导出为 XML 或 Excel 文件。用户定义的规则集(甚至是复杂类型)也可以通过 C# 或 Visual Basic (.NET) 的 Project Check 软件开发工具包(或 SDK)添加。这个 SDK 主要用来证明程序风格。

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表 1:验证 PLC 编程时可采用人工和自动方法——后者对于验证风格和技术特别有用。(图标来源:Siemens)

在为 PLC 指定的项目编写完成并经过验证后,必须将其加载至该 PLC 上。在许多情况下,个人电脑(通常是笔记本电脑)通过以太网电缆或 PLC COMM 适配器的个人电脑专用 USB 连接至 PLC——将程序载到 PLC 微电子设备上。然后,PLC 通过 I/O 模块与受控组件连接。在启动时进行额外验证后,PLC 通过以命令联网的执行器(通过各种信号类型)来执行其程序,并根据现场设备的反馈实现实时调节。

偶尔,一台机器或自动化工作单元需要调节、排除故障或维修——以及(通过 PLC 的某类型编程 PC 连接)以强制方法覆盖的 PLC 默认的反馈响应。这样会“欺骗”了 PLC,使其在运行时认为某些反馈处于某种值,而实际上并非如此——例如,当必须清除故障执行器下游的站点时,就采用了这种策略。在其他情况下,机器或工作单元可能需要通过修改来现场调节已安装 PLC 的参数。这种调节必须参考合适的触发器、变量值或表格、计数器和计时器。

结语

通过在大量的 Siemens 自动化和工业控制产品上工作,设计工程师能够更深入地了解当今的控制选择——包括 PLC 和其他类型的硬件。无论最终为自动安装选择何种品牌或硬件子类型,都是如此。

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