面向?qū)ο缶幊谭椒ㄔ谖鏖T子TIA軟件中的應用

摘" 要：目前西門子PLC占據(jù)主流市場，西門子TIA的編程軟件作為西門子的主要編程工具，已被大眾所熟悉。利用面向?qū)ο缶幊痰姆椒ǎ瑢Τ绦蜻M行標準化，可減少制造成本，提高企業(yè)的競爭力。該文通過對PLC編程中面向?qū)ο笈c面向過程編程的區(qū)別分析，探討面向?qū)ο缶幊淘谖鏖T子TIA軟件中的具體應用，包括對象類的建立、封裝與編程流程，以期為面向?qū)ο缶幊淘赑LC領域的廣泛應用提供參考。

關鍵詞：PLC；TIA；面向?qū)ο缶幊蹋晃鏖T子；軟件應用

中圖分類號：TP319" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）36-0187-04

Abstract： At present， Siemens PLC occupies the mainstream market， and Siemens TIA programming software， as Siemens' main programming tool， has been familiar to the public. This paper uses object-oriented programming methods to standardize programs， reduce manufacturing costs， and improve the competitiveness of enterprises. This paper also analyzes the differences between object-oriented programming and process-oriented programming in PLC programming， and discusses the specific application of object-oriented programming in Siemens TIA software， including the establishment， encapsulation and programming flow of object classes， in order to provide a reference for the extensive application of object-oriented programming in the PLC field.

Keywords： PLC; TIA; object-oriented programming; Siemens; software application

隨著中國制造2025的推進，自動化生產(chǎn)需求不斷增長。大型設備之間的協(xié)調(diào)生產(chǎn)以及客戶的個性化定制，導致程序變得千變?nèi)f化，制造成本不斷上升。為應對這一挑戰(zhàn)，采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒ㄔ谖鏖T子TIA軟件上對PLC進行編程，可以顯著減少編程和調(diào)試成本，提高企業(yè)的競爭力。本文將對PLC編程的主要分類進行討論，重點分析面向?qū)ο缶幊淘谖鏖T子TIA軟件中的具體應用，旨在為自動化控制系統(tǒng)開發(fā)提供參考和啟示，幫助企業(yè)更好地應對復雜的生產(chǎn)需求，提升整體效率和市場競爭力。

1" PLC編程分類

1.1" 面向過程編程

面向過程編程是一種以過程為中心的編程思想。在面向過程編程中，程序被看作是一系列函數(shù)的集合，通過依次調(diào)用這些函數(shù)來完成特定的任務。它強調(diào)的是解決問題的步驟和過程，把問題分解為一個個具體的步驟，每個步驟用一個函數(shù)來實現(xiàn)[1]。程序的執(zhí)行嚴格按照函數(shù)的調(diào)用順序進行，先執(zhí)行哪個函數(shù)，后執(zhí)行哪個函數(shù)，都有明確的規(guī)定。對于一些簡單的、規(guī)模較小的程序，面向過程編程可以快速有效地實現(xiàn)功能。圖1是典型的PLC自動化面向過程編程的流程圖，是根據(jù)自動化設備的工藝過程進行編程，執(zhí)行效率高，適用于小型獨立的自動化產(chǎn)線。此方法不易于復制，一臺設備一個程序，編程成本和調(diào)試成本較高。

1.2" 面向?qū)ο缶幊?/p>

面向?qū)ο缶幊淌且环N以對象為中心的編程范式，對象是對現(xiàn)實世界中具體事物的抽象表示。它既包含描述事物狀態(tài)的屬性，也包含對事物進行操作的方法[2]。對象具有獨立性和封裝性，其內(nèi)部狀態(tài)和行為被封裝在一起，外部只能通過特定的接口進行訪問。面向?qū)ο缶幊淌沟贸绦蚋幽K化、易于維護和擴展，被廣泛應用于各種軟件開發(fā)領域。圖2是典型的PLC自動化面向?qū)ο蟮木幊塘鞒蹋炎詣踊a(chǎn)線內(nèi)部分成一個個對象進行編程，適用于大型項目。當產(chǎn)線工藝或者設備改變時，只需要改變對象的數(shù)量就能滿足要求。編程和調(diào)試成本較低。

1.3" 面向過程和面向?qū)ο缶幊谭绞降膮^(qū)別

面向過程編程和面向?qū)ο缶幊淌?種不同的編程范式，它們在編程思路、代碼結構、功能實現(xiàn)等方面存在顯著差異。面向過程編程以“過程”或“功能”為中心，通過一系列的過程步驟逐步實現(xiàn)功能，主要依賴函數(shù)和子程序的調(diào)用來處理任務，這種編程方式強調(diào)的是操作順序，將編程序視為一系列按順序執(zhí)行的命令。在面向過程編程中，數(shù)據(jù)和功能是分開的，函數(shù)操作數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)本身沒有保護機制。因此，數(shù)據(jù)可以被任意函數(shù)訪問和修改，容易導致程序維護困難，特別是在大型系統(tǒng)中，隨著系統(tǒng)的復雜度增加，代碼的可讀性和可維護性下降。相比之下，面向?qū)ο缶幊淌且浴皩ο蟆睘橹行模⒅赝ㄟ^對象組織代碼，強調(diào)數(shù)據(jù)與操作數(shù)據(jù)的方法相結合的一種編程方法。面向?qū)ο缶幊痰暮诵母拍钣蓄悺ο蟆⒎庋b、傳承和多態(tài)等。類是面向?qū)ο缶幊讨械幕緲嫿▔K，它既對數(shù)據(jù)進行封裝，也包含了操作這些數(shù)據(jù)的方法。對象為表現(xiàn)現(xiàn)實世界中實體的類例[3]。面向?qū)ο缶幊逃行У乇Ｗo了數(shù)據(jù)的完整性，避免了不必要的外部訪問，通過將數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)的方法封裝在一起。兩者的不同之處不僅在于代碼的組織方式上，在編程思路上，代碼的組織方式也有不同之處。面向過程編程比較適合解決簡單的問題，它的代碼結構比較簡單，但是函數(shù)之間的相互依存性在處理復雜的系統(tǒng)時就會變得不好管理。而面向?qū)ο缶幊虅t透過對象與類的概念，透過類與類之間的傳承與多態(tài)機制，將系統(tǒng)分解成幾個只專注于自身功能與資料的獨立模塊，以達到復用與擴充代碼的目的，以提升系統(tǒng)的可維護性與彈性[4]。

2" 西門子TIA軟件

2.1" 西門子TIA軟件介紹

西門子全集成自動化軟件（Totally Integrated Automation Portal，TIA）是西門子集團推出的一款具有重要意義的軟件平臺。TIA編程采用了統(tǒng)一的工程組態(tài)和軟件項目環(huán)境，幾乎適用于所有自動化任務，意味著用戶可以在一個集成的開發(fā)環(huán)境中完成對西門子全集成自動化中所涉及的所有自動化和驅(qū)動產(chǎn)品的組態(tài)、編程和調(diào)試，包括用于SIMATIC控制器的軟件以及用于人機界面和過程可視化應用的軟件等。例如，無論是PLC（可編程邏輯控制器）的程式設計，還是HMI（人機界面）的畫面設計，都能在不需要切換不同軟體的TIA程式中完成，開發(fā)效率大幅提升。TIA編程的優(yōu)勢與傳統(tǒng)自動化軟件相比十分明顯。傳統(tǒng)自動化軟件完成不同的任務通常需要使用多個不同的軟件包，如PLC編程、硬件設計、驅(qū)動調(diào)試等，而這些軟件之間的數(shù)據(jù)交互與整合往往復雜，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致、溝通不暢等問題[5]。TIA編程則在一個統(tǒng)一的平臺上集成了這些功能，在簡化工程流程、提高效率的同時，也確保了數(shù)據(jù)的連貫性以及溝通的可靠性。TIA編程具有更大的優(yōu)勢，包括用戶界面設計、功能模塊的豐富程度以及對新技術的支持，更符合現(xiàn)代自動化工程的發(fā)展需求。

2.2" 西門子TIA軟件的優(yōu)勢

西門子TIA軟件是一套全面集成的自動化解決方案，具有多項顯著優(yōu)勢：①全集成工作環(huán)境使得工程師可以在同一平臺上完成從設計到調(diào)試的全部工作，大大減少了不同軟件之間的切換和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹碗s性，提高了工作效率；②多語言編程支持，包括梯形圖（Ladder Diagram）、結構化文本（Structured Text）、功能塊圖（Function Block Diagram）等，滿足不同工程師的編程習慣和項目需求，增強了編程的靈活性和適應性；③優(yōu)化的工作流程，直觀的操作界面，即使是新手也能迅速上手，減少了培訓費用，使得項目的執(zhí)行速度和效率有了明顯的提高；④兼容性和穩(wěn)定性，專為現(xiàn)代計算環(huán)境設計的西門子TIA軟件，支持Windows 10及以上（64位）操作系統(tǒng)，在減少系統(tǒng)故障和停機時間的情況下，保證在各種環(huán)境下穩(wěn)定運行；⑤豐富的功能與庫，TIA軟件提供大量支持運動控制、安全技術、能源管理等快速實現(xiàn)復雜功能的預定義功能與庫，縮短開發(fā)周期；⑥具備強大的診斷與維護功能，TIA軟件內(nèi)置了能夠幫助工程師快速定位并解決問題的先進診斷工具，使系統(tǒng)的可靠性和維護效率得以提高；⑦高度的可擴展性，能夠適應不同規(guī)模和復雜程度的自動化需求，保證企業(yè)長期發(fā)展和投資回報的TIA軟件支持從小到大項目的無縫擴展[6]。

3" 面向?qū)ο缶幊淘谖鏖T子TIA軟件中的應用

3.1" 面向?qū)ο缶幊虡藴驶暮锰?/p>

面向?qū)ο缶幊蹋∣OP）在西門子TIA軟件中的標準化應用帶來了顯著的好處：①大大提高了代碼的重用性。減少重復編碼的工作量，提高開發(fā)效率，將功能和數(shù)據(jù)封裝在類內(nèi)，可以方便地將這些類在不同的項目和模塊中重復使用。舉例來說，一個用于控制電動機的類，不需要重新編寫相同的代碼，就可以直接在多個項目中使用。②模塊化設計，使編碼結構更清晰，維護起來也更簡便。每個對象負責特定的功能，這種松耦合的設計可以讓代碼更容易理解和修改，并降低維護成本，通過接口來與其他對象進行交互。例如，當某項功能需要更新時，只需對相關類別進行修改即可，無須對整個程序進行改動。③增強的可擴展性，讓系統(tǒng)適應變化變得更簡單。當新功能或?qū)ΜF(xiàn)有功能進行修改時，只需在不影響其他部分代碼的情況下對相應類別進行添加或修改，而這種靈活性尤其適用于對市場需求和技術變化做出快速反應的大型和復雜自動化項目。④提高代碼質(zhì)量，提高代碼可靠性。面向?qū)ο缶幊痰姆庋b和繼承特性有助于降低代碼錯誤，增強代碼的堅固性。封裝能夠隱藏物體內(nèi)部的實現(xiàn)細節(jié)，防止外部的直接訪問和修改，從而減少潛在的bug。繼承則允許子類繼承父類的屬性和方法，使冗余代碼得以減少，代碼的一致性和可靠性得以提高。⑤簡化團隊配合。模塊化、標準化的面向?qū)ο缶幊烫匦裕寛F隊成員的協(xié)作效率更高。每個人都可以把精力集中在自己負責的類或模塊上，這樣就減少了代碼的沖突，也減少了交流的費用[7]。

3.2" 對象類的建立

PLC面向?qū)ο缶幊讨校粋€自動化設備或者一種自動化工藝都可以作為一個對象。每一個對象建立一個FB功能塊，對象的程序包含手動功能、自動功能、復位功能、數(shù)據(jù)處理和報警信息。整個對象就是一個獨立的子程序，子程序的編程可以使用面向過程編程的方法。

3.3" 對象封裝

對象封裝需要把程序中對象的所有控制方法都封裝在一個FB功能塊中。功能塊對外只有數(shù)據(jù)的接口，從而保證對象的增減對于整個設備框架來說，無任何的影響。對象封裝的對外數(shù)據(jù)有：輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、HMI數(shù)據(jù)和通用數(shù)據(jù)。輸入數(shù)據(jù)是對象控制過程中接受到外部的硬件輸入信號；輸出數(shù)據(jù)是對象控制過程中對外輸出的控制硬件的輸出信號；報警數(shù)據(jù)是對外輸出運行過程中的故障信息；HMI數(shù)據(jù)是人機交換之間的數(shù)據(jù)；通用數(shù)據(jù)是用于和其他對象之間的信號交換的信號結合。圖3為典型的對象封裝FB功能塊，不同項目相同的對象可以隨意調(diào)用。

3.4" TIA軟件的編程流程

以TIA V17軟件（以下稱為“軟件”）為例，整個編程流程如下：

1）整個控制流程分為若干個對象，定義每一個對象的輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、HMI數(shù)據(jù)和通用數(shù)據(jù)。

2）根據(jù)定義的對象數(shù)據(jù)，在軟件中選擇 “PLC數(shù)據(jù)類型”，添加相關的數(shù)據(jù)類型。

3）根據(jù)對象定義的相關數(shù)據(jù)類型，新建全局數(shù)據(jù)塊，分別為輸入數(shù)據(jù)塊DB_Input、輸出數(shù)據(jù)塊DB_Output、報警數(shù)據(jù)塊DB_Alarm、HMI數(shù)據(jù)塊DB_HMI和通用數(shù)據(jù)塊DB_Gf。

4）新建輸入輸出FC功能塊程序，即PRG_Input和PRG_Output，在這2個程序中把PLC實際物理的輸入輸出鏈接到輸入數(shù)據(jù)塊DB_Input、輸出數(shù)據(jù)塊DB_Output中。

5）編寫每一個獨立的對象FB功能塊，定義好功能塊的輸入、輸出、報警、HMI和通用數(shù)據(jù)。

6）新建FC功能塊，調(diào)用對象FB功能塊，鏈接全局數(shù)據(jù)到各個對象FB功能塊中。

7）在MAIN程序塊中，調(diào)用所有FC的功能塊。

3.5" 面向?qū)ο缶幊淘赥IA編程中的操作方法

面向?qū)ο缶幊蹋∣OP）在TIA中的應用，要求開發(fā)者按照特定的步驟和方法來實現(xiàn)類的定義、對象的創(chuàng)建、方法調(diào)用和屬性管理。

在TIA Portal中，類的創(chuàng)建是OOP的第一步。打開TIA Portal：啟動TIA Portal并打開項目。在項目樹中選擇“PLC程序”，點擊右鍵，選擇“添加新區(qū)塊（Add New Block）”。選擇“功能區(qū)塊”作為區(qū)塊類型，設定區(qū)塊名稱，例如FB_Conveyor。在功能塊中，添加輸入（Input）和輸出（Output）變量，以及內(nèi)部私有變量。例如，定義傳送帶的速度（Speed）、長度（Length）和狀態(tài)（Status）作為屬性。在“網(wǎng)絡（Network）”部分編寫程序邏輯，實現(xiàn)該類的功能。例如，編寫控制傳送帶的啟動、停止及速度調(diào)節(jié)的邏輯。

類定義完成后，需要實例化對象。打開TIA Portal的程序編輯器，選擇主程序塊（Main Program Block）或創(chuàng)建一個新的組織塊（OB）。在程序塊中，通過調(diào)用剛才創(chuàng)建的功能塊（如FB_Conveyor）來實例化對象。例如，在“Main OB”中調(diào)用FB_Conveyor，創(chuàng)建一個名為Conveyor_Inst1的對象。為每個對象分配一個數(shù)據(jù)塊（DB），保存對象的具體狀態(tài)和屬性值。例如，創(chuàng)建名為DB_Conveyor_Inst1的數(shù)據(jù)塊來存儲第一個傳送帶對象的實例數(shù)據(jù)。

封裝是OOP的核心概念是通過控制對象屬性的訪問和修改來實現(xiàn)的。在TIA Portal中，打開功能塊的定義頁面，在“變量表（Variable Table）”中，可以設置變量的訪問權限。將變量設置為“Public（公有）”或“Private（私有）”。例如，傳送帶的速度屬性可以設置為“Public”，允許外部程序修改其值；而內(nèi)部的計數(shù)器狀態(tài)可以設置為“Private”，防止外部程序意外更改計數(shù)器的狀態(tài)。

在OOP中，方法是類的行為定義。在功能塊內(nèi)部定義方法。例如，在傳送帶的類中，可以編寫一個“Start Conveyor”的方法，實現(xiàn)啟動傳送帶的邏輯。在程序中的某個位置調(diào)用實例的某個方法。例如，通過調(diào)用Conveyor_Inst1.Start（）來啟動第一個傳送帶對象。

在面向?qū)ο缶幊痰倪^程中，調(diào)試是必不可少的環(huán)節(jié)。編譯并下載程序到PLC。然后進入在線模式，監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)塊，查看每個實例的屬性是否按預期變化。通過觀察方法調(diào)用的實際執(zhí)行情況，驗證功能塊是否按設計邏輯執(zhí)行。例如，當啟動傳送帶時，相關狀態(tài)是否正確變化。如果程序出現(xiàn)問題，可以通過TIA的調(diào)試工具逐步跟蹤對象的方法調(diào)用和屬性變化，找出潛在的邏輯錯誤并加以修正。

4" 結束語

面向?qū)ο缶幊蹋∣OP）方法引入西門子TIA軟件，有效控制了PLC編程的復雜性，提供了代碼復用性和模塊化管理能力，增強了程序的可維護性和擴展性。在PLC項目中，通過面向?qū)ο蟮姆绞浇M織控制邏輯，使系統(tǒng)結構和行為更加直觀。OOP標準化了程序模塊，通過繼承、封裝和多態(tài)特性提高了系統(tǒng)的靈活性，減少了代碼重復，降低了編程錯誤率，提升了項目的可靠性。隨著工業(yè)4.0和智能制造的發(fā)展，OOP將在復雜控制系統(tǒng)、智能工廠和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮更重要的作用，從而進一步提升自動化系統(tǒng)的效率和智能化水平。

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