西門子S7-1200portal軟件與S7-PLCSIM仿真軟件聯合應用研究

楊 浩，張 兵

(1.洛陽職業技術學院 機電工程學院，河南 洛陽 471000； 2.南陽農業職業學院 機電工程系，河南 南陽 473000)

0 引言

西門子PLC作為當今世界工業領域的主流應用可編程控制器，在世界工業生產中占有相當大的比重。自20世紀70年代以來，西門子PLC技術不斷發展，在滿足工業應用需求的同時，也在不斷地推動世界工業向前發展。隨著工業自動化控制的飛速發展，用戶對自動系統的可靠性、復雜性、功能性、友好性都提出了更高要求。為此，西門子自動化與驅動集團在1996年提出了“全集成自動化”(Totally Integrated Automation，TIA)概念，“TIA”使每一個生產過程不再是獨立的局部過程，而是將整個過程連結成統一的整體。全集成自動化系統(TIA)將PLC技術融入到整個自動化領域中，其自身具有開放系統，能夠方便擴展，為解決自動化任務帶來極大便利。在全集成自動化系統中，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，對小車自動往返運動項目進行程序編寫與仿真，深入研究Portal軟件與S7-PLCSIM仿真軟件之間的應用關系。

1 小車自動往返運動項目

小車自動往返運動項目作為PLC教學中的經典案例，在各種教學資料中被廣泛采用。

小車自動往返運動要求：設小車在初始位置時停在左邊(限位開關I 0.1為1狀態)，按下啟動按鈕I 0.4后，小車向右運動(簡稱右行)，碰到限位開關I 0.2后，停在該處，3 s后開始左行，碰到限位開關I 0.1后，小車繼續右行，如此往返3次后，小車停止在限位開關I 0.1處。小車自動往返運動示意圖如圖1所示。

圖1 小車自動往返運動示意圖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主要體現在以下幾方面：

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

B.可靠性。西門子系統中的產品都具有極佳品質和較好耐用性，適用于各種工業環境，產品通過了系統測試，能達到設計的目標水平且具有相關認證。西門子產品同樣規定了電磁兼容性等方面的特性。

C.安全性。在工業現場中，以太網有著廣泛應用，也會相應出現網絡安全問題。為對工廠數據進行保護，需要采取大量不同的措施，從而確保PC和控制系統保護各個網絡的自動化單元設備。西門子在這里采用單元保護方案，使用交換機系統模塊等，提供各種組件以組成良好的保護單元。

西門子Portal軟件因其自身的獨特優點受到青睞。據統計，在自動化領域中，西門子市占率穩居第一，占比達40.7%。學習西門子PLC對于自動化領域的工程技術人員很有必要，而作為培養技術人才的高等院校，師生們對PLC的掌握程度已成為衡量其機電自動化專業技能的一個重要標準。

在PLC應用中，通過使用PLC中與實際電氣元件相對應的軟元件，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，結合工程應用實際，總結出相應的編程步驟，按照PLC編程調試步驟分為：①進行I/O分配；②繪制PLC接線圖；③進行PLC程序編程；④進行上機調試。

本研究根據PLC編程步驟要求，結合小車自動往返所需的輸入輸出接口，對PLC程序編寫的軟元件進行I/O口分配,如表1所示。

表1 I/O分配表Tab.1 I/O distribution list

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

圖2 梯形圖Fig.2 Ladder diagram

根據控制要求，將小車自動往返控制過程分為右行、暫停、左行三個步，同時設置了等待啟動的初始步M 20.0。在梯形圖中，根據需要設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、左行三個步。作為中間指令，最大優化程序設計，使程序更加簡單明晰。以控制要求作為程序編寫的準繩，按照順序流程圖的設計流程，編寫出最優化的程序。程序編寫完成后，如何在導入PLC前進行程序驗證是PLC應用的一項重要內容。

3 S7-PLCSIM仿真應用

為了驗證程序是否編寫有誤，能否達到預期目標，研究使用S7-PLCSIM仿真軟件對程序進行仿真驗證。S7-PLCSIM是西門子公司開發的可編程控制器模擬軟件，它在step7集成狀態下實現無硬件模擬，也可與WinCC flexible一同集成于Step7環境下實現上位機監控模擬。在PLCSIM軟件中，可通過對相應觸點狀態的改變，模擬實際硬元件的動作，從而驗證程序編寫是否正確，對上級調試具有極大便利。

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試，同時能夠訪問模擬PLC的I/O存儲器、累加器及寄存器。在仿真運行窗口中，對輸入變量的ON/OFF轉臺進行改變，通過對輸出變量的狀態進行觀察來監視程序運行結果。

B.對計數器和定時器進行監視和修改，通過設置程序對定時器和計數器進行自動運行和手動復位。

C.對位存儲器、外圍輸入變量區和外圍輸出變量區進行模擬操作，還可讀取存儲在數據塊中的數據。

S7-PLCSIM主要組成部分有：

A.相當于實物PLC的虛擬PLC。將程序導入到虛擬PLC中。虛擬PLC能夠像實物一樣執行用戶程序。

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

C.插入視圖對象?？赏ㄟ^字節、二進制等數據形式訪問輸入變量、輸出變量、位存儲器視圖對象中相應的數據區。

在小車自動往返仿真實驗中，先在S7-PLCSIM中建立小車自動往返項目，將在博途軟件中編寫好的用戶程序導入到S7-PLCSIM中。在S7-PLCSIM仿真視圖中設備組態如圖3所示。

圖3 設備組態Fig.3 Equipment configuration

通過使用仿真軟件，修改設備組態中相應的監視值，實現對相應觸點狀態的改變。本研究項目中，根據要求可改變梯形圖中啟動觸點狀態、停止觸點狀態，用來完成啟動操作和停止操作。通過改變左限位觸點狀態、右限位觸點狀態來模擬小車碰觸到左極限和右極限的動作，按照控制要求對相應觸點狀態進行改變。在這里，相應觸點動作變化按照控制要求中相應順序來進行，通過觸點狀態的改變，實現對左行線圈和右行線圈的控制，從而實現對小車往返運動的控制。

可通過將在Portal軟件中編寫好的程序導入到S7-PLCSIM仿真軟件中。這里的S7-PLCSIM相當于一個虛擬PLC。程序導入到S7-PLCSIM后，在S7-PLCSIM設備組態中顯示相應的軟元件，使用者可修改相應軟元件的監視值，達到在模擬控制欄中控制相應外接器件信號的變化。在梯形圖中，根據梯形圖程序段中電流流經軟元件的變化，可推斷出相應外接設備的變化。根據軟元件的變化情況，對編寫好的程序進行檢查，檢驗程序是否滿足控制要求。通過仿真軟件的應用，能夠極大提高程序編寫的準確性，同時便于在沒有PLC的情況下仍能進行程序編寫、驗證。

4 結語

以PLC應用中常見的運料小車自動往返運動為例，詳細介紹了基于西門子S7-1200基礎上的portal程序編寫以及S7-PLCSIM仿真應用。通過這個示例，展現了portal軟件和S7-PLCSIM在西門子PLC程序編寫、仿真調試中的強大功能，并通過二者聯合應用，展現出西門子PLC軟件在自動化領域的強大功能。