PLC 編程：採用 Siemens 範例的技術總覽

可編程邏輯控制器 (PLC) 是堅固耐用的微處理器架構電子元件，在所有現代自動化領域都非常重要，包括：

• 石油和天然氣、核能、煉鋼和廢水處理等流程密集型產業
• 側重於離散任務控制的產業；包括一般工廠自動化、自動化倉儲、包裝、食品和飲料以及醫療裝置製造

在這些應用中，PLC 傳統上採用 DIN 軌安裝或安裝在含插槽的控制櫃機架系統，以接受具備 CPU 的 PLC 模組 (用來執行邏輯和調度命令)、補充電源供應器模組、應用特定功能模組，以及數位和類比 I/O 模組。

當然，PLC 並不是自動化控制的唯一選擇。繼電器架構系統在多種應用中仍然不可或缺，可編程自動化控制器 (PAC) 或工業 PC (IPC) 以及面板 PC (含控制電子元件的 HMI) 是許多機器設計和需要不同程度分散式控制的系統之其他替代品。執行工業級 Microsoft Windows 作業系統的 PAC 和 IPC 特別提供頂級的設計靈活性。

各個控制系統使用各樣的複雜軟體進行配置和編程，讓所有類型的控制設計都能更加進階且易用。因此，OEM 機器製造商和工廠工程師能夠以最大的效率、生產力和 IIoT 連接性，快速啟動系統構建、升級和遷移。

用於編程控制的工具：包括 PLC

圖 1：PLC 提供專用硬體的所有優勢，包括可靠性。相比之下，PAC 提供最高的靈活性。部分供應商允許工程師在相同的統一軟體環境中對兩種控制類型進行編程。此類環境賦予對數位化自動化、工程和操作監控工具的無限存取。(圖片來源：Siemens)

現今，幾乎所有 PLC 都是透過 PC 架構軟體進行配置和編程。一些大型供應商，在通用自動化和 PLC 產品之外，擁有廣泛的可編程動作控制、感測、致動和機器介面組件產品，通常允許在自行研發的統一編程環境 (PC 架構 Windows 相容軟體，具有設計、配置、編程，甚至操作和管理模組) 中對所有這些組件進行編程。特別是供應商包括預先整合產品時，例如智慧馬達或具有 PLC 功能的 HMI。

統一編程環境雖然學習起來可能會令人生畏，但一旦掌握則能大幅加速機器設計。

這種軟體環境的優勢之一是提供無錯誤、可編輯的資料庫，其中包含普遍適用的符號、變量或標籤名稱。這些指定給組件 (包括 PLC) 位址的字母數字名稱為人類可讀，並改進過去的標準做法，不再直接使用複雜的暫存器位址。資訊豐富的機器和工作單元標籤與這些可分類和可搜尋的裝置標籤相輔相成，還提供自動、手動、MotorOn、故障或重置等常見機器功能的標籤。

以 Siemens STEP 7 全整合自動化 (TIA Portal) 軟體為例，此軟體包括各種特定用途的軟體包，可透過 Siemens SIMATIC (Siemens Automatic) 軟體管理環境存取。STEP 7 軟體便於說明最常見的 PLC 編程方法，因為它是世界上最廣泛運用在工業自動化的軟體，其具有豐富的功能和可靠性驗證。據估計，全球近三分之一的 PLC 應用使用 Siemens PLC。

工程師透過此軟體，可以建立與 PLC 和其他工業控制器功能相關的流程控制、離散自動化、能源管理、HMI 視覺化或類比和數位分身編程。至於 PLC，Siemens 的 STEP 7 (TIA Portal) 工程軟體由舊版 SIMATIC STEP 7 軟體演變而來，以支援 S7-1200、S7-1500 和 S7-1500 控制器，以及 ET 200SP I/O CPU 和舊版的編程 S7-300 CPU (歷久不衰的業界主打產品) 以及 S7-400 和 SIMATIC WinAC 控制器。STEP 7 的專業級和特別授權版本包括附加功能、邏輯編輯器和傳統工程軟體的整合。

儘管已超出本文的範圍，但值得注意的是，多功能 PLC 的工業控制替代方案可透過互補軟體進行配置和編程。龐大的 Siemens 控制生態系統提供了大量範例。

1. LOGO!邏輯模組滿足小型和適度的自動化應用，以彌合繼電器和微處理器架構工業控制器之間的差距。它們透過 Siemens LOGO! 軟體進行編程，含 Soft Comfort 工程軟體、LOGO! Access Tool和 LOGO! Web Editor，用於簡單配置和設計作業。
2. 流程控制系統採用 Siemens SIMATIC PCS 7 控制器產品，可透過 SIMATIC PCS 7 系統軟體進行編程。
3. 用於需要 IIoT 連接能力的分佈式控制和機器的機架 (軌)、面板、盒式工業 PC (IPC) 產品須依賴 Siemens 的 SIMATIC IPC 軟體模組，包括 IPC Image and Partition Creator、IPC DiagMonitor、IPC Remote Manager、IPC FirmwareManager，以及 SIMATIC Industrial OS。
4. 用作機器控制面板 PC 的 HMI 使用 SIMATIC WinCC Unified (TIA Portal) 軟體以及 SIMATIC WinCC (TIA Portal)、WinCC flexible、WinCC V7、WinCC OA、ProAgent 流程診斷軟體、行動裝置通知軟體等。

還有更多軟體可簡化在 SIMATIC PLC 和其他機器控制的選擇，以 雲端架構線上選擇工具 (或 離線版本) 的形式向工程師詢問指定設計的實體配置 (是否需要控制櫃或分散式控制)，以及：

• 預期 I/O 的數量；包括感測器、開關、致動器。
• 使用的編程語言：無論是梯形圖 (LD)、結構化控制語言 (SCL) 還是功能塊圖 (FBD)；更高階的結構化文本 (ST)、基於圖形的順序功能圖 (SFC) 和連續功能圖 (CFC)；或更高階的語言。
• 所需的動作控制等級 (如適用)：從簡單的速度和位置控制到電子凸輪和進階運動控制。
• 硬體偏好以及在 IPC 上執行何種軟體 PLC 程式可能最合適。

PLC 軟體專案

通常專案中會採用 PLC 供應商軟體編寫的 PLC 編程。這些與應用特定的操作相關，例如：

• 加熱、混合、填充、計量、灌溉
• 移動、轉向、循環、定位、制動
• 抓取、切割、沖孔、切片
• 熔接、黏合、標記、分配
• 感測、追蹤、排序、指示

最先進的選項支援數位規劃和整合工程以及透明操作，可透過 HMI 輕鬆存取，採用使用者特定螢幕進行作業。換言之，此類 PLC 軟體允許在不同顯示器上顯示相關 PLC 資訊，滿足機器操作人員、技術人員、工廠經理甚至業務經理的不同資訊需求。

PLC 供應商軟體環境的模擬工具還可以加速特定產品的上市時間，並提升成品產量。能源管理功能和診斷使軟體架構改良套件更為完備。

使用軟體編寫的程式驗證和加載 PLC

圖 2：Siemens SIMATIC PLC 和自動化系統於 1950 年代首次推出。如今，SIMATIC S7 產品 (包括此處所述之 SIMATIC S7-1500 PLC 組件) 已經發展到可支援各種工業自動化應用。(圖片來源：Siemens)

最佳化 PLC 功能的核心是其編程品質。所有程式碼都應滿足軟體開發產業標準和最佳作法。除此之外，驗證過程 (手動和自動) 可以揭示一切情況，從嚴重錯誤到程式碼效率低下。重新考慮 SIMATIC S7 產品的編程。在 Siemens 生態系統中，TIA Portal Project Check 應用程式可以自動將某些程式碼與這些特定 PLC 的編程風格指南定義的規則進行比較。接著工程師可以將比較結果匯出至 XML 或 Excel 文件。使用者定義的規則集 (甚至是複雜類型) 也可以透過 C# 或 Visual Basic (.NET) 中的 Project Check 軟體開發工具包 (或 SDK) 添加。此 SDK 主要證明程式的風格。

表 1：可以利用手動和自動方法進行 PLC 編程驗證，後者對於驗證風格和技術特別有用。(圖表來源：Siemens)

在完整編寫並驗證了以 PLC 為目標的專案後，必須加載至該 PLC。許多情況下，PC (通常是筆記本電腦) 透過乙太網路纜線或專用 PC USB 到 PLC COMM 配接器臨時連接到 PLC，將編程加載到 PLC 微電子上。PLC 接著透過 I/O 模組連接到受控組件。在啟動時進行額外驗證後，PLC 透過命令連網致動器 (透過各種類型的訊號) 執行程式，並根據現場裝置回傳的回饋即時調整。

有時候，機器或自動化工作單元需要進行調整、故障排除或維修，並且透過某種類型的編程 PC 連接到 PLC，強制覆寫 PLC 對回饋的預設響應。這會「欺騙」PLC 進行作業，視某些回饋為某個值 (而實際上並不是)。例如，當必須清除故障致動器下游的站點時採用的策略。其他時候，機器或工作單元可能需要修改對已安裝 PLC 的參數進行現場調整。此類調整必須引用合適的觸發器、變量值或表格、計數器和計時器。

結論

使用各式 Siemens 自動化和工業控制產品能讓設計工程師更深入瞭解當今的控制選項：包括 PLC 和其他硬體類型。無論最終為自動化安裝選擇的品牌或硬體子類型為何，都是如此。