楊 浩，張 兵

(1.洛陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471000； 2.南陽農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，河南 南陽 473000)

0 引言

西門子PLC作為當(dāng)今世界工業(yè)領(lǐng)域的主流應(yīng)用可編程控制器，在世界工業(yè)生產(chǎn)中占有相當(dāng)大的比重。自20世紀(jì)70年代以來，西門子PLC技術(shù)不斷發(fā)展，在滿足工業(yè)應(yīng)用需求的同時(shí)，也在不斷地推動(dòng)世界工業(yè)向前發(fā)展。隨著工業(yè)自動(dòng)化控制的飛速發(fā)展，用戶對自動(dòng)系統(tǒng)的可靠性、復(fù)雜性、功能性、友好性都提出了更高要求。為此，西門子自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)在1996年提出了“全集成自動(dòng)化”(Totally Integrated Automation，TIA)概念，“TIA”使每一個(gè)生產(chǎn)過程不再是獨(dú)立的局部過程，而是將整個(gè)過程連結(jié)成統(tǒng)一的整體。全集成自動(dòng)化系統(tǒng)(TIA)將PLC技術(shù)融入到整個(gè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，其自身具有開放系統(tǒng)，能夠方便擴(kuò)展，為解決自動(dòng)化任務(wù)帶來極大便利。在全集成自動(dòng)化系統(tǒng)中，TIAportal軟件具有簡單、直觀、高效、多能的作用。以TIA portal軟件作為編程軟件，綜合S7-PLCSIM技術(shù)，對小車自動(dòng)往返運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目進(jìn)行程序編寫與仿真，深入研究Portal軟件與S7-PLCSIM仿真軟件之間的應(yīng)用關(guān)系。

1 小車自動(dòng)往返運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目

小車自動(dòng)往返運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目作為PLC教學(xué)中的經(jīng)典案例，在各種教學(xué)資料中被廣泛采用。

小車自動(dòng)往返運(yùn)動(dòng)要求：設(shè)小車在初始位置時(shí)停在左邊(限位開關(guān)I 0.1為1狀態(tài))，按下啟動(dòng)按鈕I 0.4后，小車向右運(yùn)動(dòng)(簡稱右行)，碰到限位開關(guān)I 0.2后，停在該處，3 s后開始左行，碰到限位開關(guān)I 0.1后，小車?yán)^續(xù)右行，如此往返3次后，小車停止在限位開關(guān)I 0.1處。小車自動(dòng)往返運(yùn)動(dòng)示意圖如圖1所示。

圖1 小車自動(dòng)往返運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.1 Sketch map dolly to-and-fro movement

2 S7-1200portal軟件的程序編寫

西門子博途軟件的典型特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面：

A.可用性。西門子為用戶提供了完善的高可用性設(shè)計(jì)方案，保證工廠中的設(shè)備都具有較高的可用性，范圍廣泛。如：對控制器進(jìn)行現(xiàn)場測試，通過帶自動(dòng)事件同步的可靠切換，確保了高可用性。

B.可靠性。西門子系統(tǒng)中的產(chǎn)品都具有極佳品質(zhì)和較好耐用性，適用于各種工業(yè)環(huán)境，產(chǎn)品通過了系統(tǒng)測試，能達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)水平且具有相關(guān)認(rèn)證。西門子產(chǎn)品同樣規(guī)定了電磁兼容性等方面的特性。

C.安全性。在工業(yè)現(xiàn)場中，以太網(wǎng)有著廣泛應(yīng)用，也會相應(yīng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全問題。為對工廠數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，需要采取大量不同的措施，從而確保PC和控制系統(tǒng)保護(hù)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化單元設(shè)備。西門子在這里采用單元保護(hù)方案，使用交換機(jī)系統(tǒng)模塊等，提供各種組件以組成良好的保護(hù)單元。

西門子Portal軟件因其自身的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)受到青睞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在自動(dòng)化領(lǐng)域中，西門子市占率穩(wěn)居第一，占比達(dá)40.7%。學(xué)習(xí)西門子PLC對于自動(dòng)化領(lǐng)域的工程技術(shù)人員很有必要，而作為培養(yǎng)技術(shù)人才的高等院校，師生們對PLC的掌握程度已成為衡量其機(jī)電自動(dòng)化專業(yè)技能的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。

在PLC應(yīng)用中，通過使用PLC中與實(shí)際電氣元件相對應(yīng)的軟元件，可使PLC控制程序取代繼電器控制線路，從而簡化控制線路的編程、修改過程。通過對常見PLC編程技巧的總結(jié)，結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際，總結(jié)出相應(yīng)的編程步驟，按照PLC編程調(diào)試步驟分為：①進(jìn)行I/O分配；②繪制PLC接線圖；③進(jìn)行PLC程序編程；④進(jìn)行上機(jī)調(diào)試。

本研究根據(jù)PLC編程步驟要求，結(jié)合小車自動(dòng)往返所需的輸入輸出接口，對PLC程序編寫的軟元件進(jìn)行I/O口分配,如表1所示。

表1 I/O分配表Tab.1 I/O distribution list

根據(jù)小車自動(dòng)往返控制工作要求，在portal軟件中編寫用戶程序。小車自動(dòng)往返控制程序梯形圖如圖2所示。

圖2 梯形圖Fig.2 Ladder diagram

根據(jù)控制要求，將小車自動(dòng)往返控制過程分為右行、暫停、左行三個(gè)步，同時(shí)設(shè)置了等待啟動(dòng)的初始步M 20.0。在梯形圖中，根據(jù)需要設(shè)置初始化程序使用指令FirstScan，通過選用合理的指令，在圖2的梯形圖程序中，使用中間繼電器指令M 20.1—M 20.3，分別代表右行、暫停、左行三個(gè)步。作為中間指令，最大優(yōu)化程序設(shè)計(jì)，使程序更加簡單明晰。以控制要求作為程序編寫的準(zhǔn)繩，按照順序流程圖的設(shè)計(jì)流程，編寫出最優(yōu)化的程序。程序編寫完成后，如何在導(dǎo)入PLC前進(jìn)行程序驗(yàn)證是PLC應(yīng)用的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

3 S7-PLCSIM仿真應(yīng)用

為了驗(yàn)證程序是否編寫有誤，能否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，研究使用S7-PLCSIM仿真軟件對程序進(jìn)行仿真驗(yàn)證。S7-PLCSIM是西門子公司開發(fā)的可編程控制器模擬軟件，它在step7集成狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)無硬件模擬，也可與WinCC flexible一同集成于Step7環(huán)境下實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控模擬。在PLCSIM軟件中，可通過對相應(yīng)觸點(diǎn)狀態(tài)的改變，模擬實(shí)際硬元件的動(dòng)作，從而驗(yàn)證程序編寫是否正確，對上級調(diào)試具有極大便利。

S7-PLCSIM主要功能有：

A.可以對S7-1200、S7-400PLC用戶程序做離線仿真和調(diào)試，同時(shí)能夠訪問模擬PLC的I/O存儲器、累加器及寄存器。在仿真運(yùn)行窗口中，對輸入變量的ON/OFF轉(zhuǎn)臺進(jìn)行改變，通過對輸出變量的狀態(tài)進(jìn)行觀察來監(jiān)視程序運(yùn)行結(jié)果。

B.對計(jì)數(shù)器和定時(shí)器進(jìn)行監(jiān)視和修改，通過設(shè)置程序?qū)Χ〞r(shí)器和計(jì)數(shù)器進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)復(fù)位。

C.對位存儲器、外圍輸入變量區(qū)和外圍輸出變量區(qū)進(jìn)行模擬操作，還可讀取存儲在數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)。

S7-PLCSIM主要組成部分有：

A.相當(dāng)于實(shí)物PLC的虛擬PLC。將程序?qū)氲教摂MPLC中。虛擬PLC能夠像實(shí)物一樣執(zhí)行用戶程序。

B.CPU視圖對象。在仿真開始時(shí)，用戶可在CPU視圖對象界面中選擇運(yùn)行、停止和暫停工作方式。

C.插入視圖對象?？赏ㄟ^字節(jié)、二進(jìn)制等數(shù)據(jù)形式訪問輸入變量、輸出變量、位存儲器視圖對象中相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)。

在小車自動(dòng)往返仿真實(shí)驗(yàn)中，先在S7-PLCSIM中建立小車自動(dòng)往返項(xiàng)目，將在博途軟件中編寫好的用戶程序?qū)氲絊7-PLCSIM中。在S7-PLCSIM仿真視圖中設(shè)備組態(tài)如圖3所示。

圖3 設(shè)備組態(tài)Fig.3 Equipment configuration

通過使用仿真軟件，修改設(shè)備組態(tài)中相應(yīng)的監(jiān)視值，實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)觸點(diǎn)狀態(tài)的改變。本研究項(xiàng)目中，根據(jù)要求可改變梯形圖中啟動(dòng)觸點(diǎn)狀態(tài)、停止觸點(diǎn)狀態(tài)，用來完成啟動(dòng)操作和停止操作。通過改變左限位觸點(diǎn)狀態(tài)、右限位觸點(diǎn)狀態(tài)來模擬小車碰觸到左極限和右極限的動(dòng)作，按照控制要求對相應(yīng)觸點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行改變。在這里，相應(yīng)觸點(diǎn)動(dòng)作變化按照控制要求中相應(yīng)順序來進(jìn)行，通過觸點(diǎn)狀態(tài)的改變，實(shí)現(xiàn)對左行線圈和右行線圈的控制，從而實(shí)現(xiàn)對小車往返運(yùn)動(dòng)的控制。

可通過將在Portal軟件中編寫好的程序?qū)氲絊7-PLCSIM仿真軟件中。這里的S7-PLCSIM相當(dāng)于一個(gè)虛擬PLC。程序?qū)氲絊7-PLCSIM后，在S7-PLCSIM設(shè)備組態(tài)中顯示相應(yīng)的軟元件，使用者可修改相應(yīng)軟元件的監(jiān)視值，達(dá)到在模擬控制欄中控制相應(yīng)外接器件信號的變化。在梯形圖中，根據(jù)梯形圖程序段中電流流經(jīng)軟元件的變化，可推斷出相應(yīng)外接設(shè)備的變化。根據(jù)軟元件的變化情況，對編寫好的程序進(jìn)行檢查，檢驗(yàn)程序是否滿足控制要求。通過仿真軟件的應(yīng)用，能夠極大提高程序編寫的準(zhǔn)確性，同時(shí)便于在沒有PLC的情況下仍能進(jìn)行程序編寫、驗(yàn)證。

4 結(jié)語

以PLC應(yīng)用中常見的運(yùn)料小車自動(dòng)往返運(yùn)動(dòng)為例，詳細(xì)介紹了基于西門子S7-1200基礎(chǔ)上的portal程序編寫以及S7-PLCSIM仿真應(yīng)用。通過這個(gè)示例，展現(xiàn)了portal軟件和S7-PLCSIM在西門子PLC程序編寫、仿真調(diào)試中的強(qiáng)大功能，并通過二者聯(lián)合應(yīng)用，展現(xiàn)出西門子PLC軟件在自動(dòng)化領(lǐng)域的強(qiáng)大功能。