杨 浩，张 兵

(1.洛阳职业技术学院 机电工程学院，河南 洛阳 471000； 2.南阳农业职业学院 机电工程系，河南 南阳 473000)

0 引言

西门子PLC作为当今世界工业领域的主流应用可编程控制器，在世界工业生产中占有相当大的比重。自20世纪70年代以来，西门子PLC技术不断发展，在满足工业应用需求的同时，也在不断地推动世界工业向前发展。随着工业自动化控制的飞速发展，用户对自动系统的可靠性、复杂性、功能性、友好性都提出了更高要求。为此，西门子自动化与驱动集团在1996年提出了“全集成自动化”(Totally Integrated Automation，TIA)概念，“TIA”使每一个生产过程不再是独立的局部过程，而是将整个过程连结成统一的整体。全集成自动化系统(TIA)将PLC技术融入到整个自动化领域中，其自身具有开放系统，能够方便扩展，为解决自动化任务带来极大便利。在全集成自动化系统中，TIAportal软件具有简单、直观、高效、多能的作用。以TIA portal软件作为编程软件，综合S7-PLCSIM技术，对小车自动往返运动项目进行程序编写与仿真，深入研究Portal软件与S7-PLCSIM仿真软件之间的应用关系。

1 小车自动往返运动项目

小车自动往返运动项目作为PLC教学中的经典案例，在各种教学资料中被广泛采用。

小车自动往返运动要求：设小车在初始位置时停在左边(限位开关I 0.1为1状态)，按下启动按钮I 0.4后，小车向右运动(简称右行)，碰到限位开关I 0.2后，停在该处，3 s后开始左行，碰到限位开关I 0.1后，小车继续右行，如此往返3次后，小车停止在限位开关I 0.1处。小车自动往返运动示意图如图1所示。

图1 小车自动往返运动示意图Fig.1 Sketch map dolly to-and-fro movement

2 S7-1200portal软件的程序编写

西门子博途软件的典型特点主要体现在以下几方面：

A.可用性。西门子为用户提供了完善的高可用性设计方案，保证工厂中的设备都具有较高的可用性，范围广泛。如：对控制器进行现场测试，通过带自动事件同步的可靠切换，确保了高可用性。

B.可靠性。西门子系统中的产品都具有极佳品质和较好耐用性，适用于各种工业环境，产品通过了系统测试，能达到设计的目标水平且具有相关认证。西门子产品同样规定了电磁兼容性等方面的特性。

C.安全性。在工业现场中，以太网有着广泛应用，也会相应出现网络安全问题。为对工厂数据进行保护，需要采取大量不同的措施，从而确保PC和控制系统保护各个网络的自动化单元设备。西门子在这里采用单元保护方案，使用交换机系统模块等，提供各种组件以组成良好的保护单元。

西门子Portal软件因其自身的独特优点受到青睐。据统计，在自动化领域中，西门子市占率稳居第一，占比达40.7%。学习西门子PLC对于自动化领域的工程技术人员很有必要，而作为培养技术人才的高等院校，师生们对PLC的掌握程度已成为衡量其机电自动化专业技能的一个重要标准。

在PLC应用中，通过使用PLC中与实际电气元件相对应的软元件，可使PLC控制程序取代继电器控制线路，从而简化控制线路的编程、修改过程。通过对常见PLC编程技巧的总结，结合工程应用实际，总结出相应的编程步骤，按照PLC编程调试步骤分为：①进行I/O分配；②绘制PLC接线图；③进行PLC程序编程；④进行上机调试。

本研究根据PLC编程步骤要求，结合小车自动往返所需的输入输出接口，对PLC程序编写的软元件进行I/O口分配,如表1所示。

表1 I/O分配表Tab.1 I/O distribution list

根据小车自动往返控制工作要求，在portal软件中编写用户程序。小车自动往返控制程序梯形图如图2所示。

图2 梯形图Fig.2 Ladder diagram

根据控制要求，将小车自动往返控制过程分为右行、暂停、左行三个步，同时设置了等待启动的初始步M 20.0。在梯形图中，根据需要设置初始化程序使用指令FirstScan，通过选用合理的指令，在图2的梯形图程序中，使用中间继电器指令M 20.1—M 20.3，分别代表右行、暂停、左行三个步。作为中间指令，最大优化程序设计，使程序更加简单明晰。以控制要求作为程序编写的准绳，按照顺序流程图的设计流程，编写出最优化的程序。程序编写完成后，如何在导入PLC前进行程序验证是PLC应用的一项重要内容。

3 S7-PLCSIM仿真应用

为了验证程序是否编写有误，能否达到预期目标，研究使用S7-PLCSIM仿真软件对程序进行仿真验证。S7-PLCSIM是西门子公司开发的可编程控制器模拟软件，它在step7集成状态下实现无硬件模拟，也可与WinCC flexible一同集成于Step7环境下实现上位机监控模拟。在PLCSIM软件中，可通过对相应触点状态的改变，模拟实际硬元件的动作，从而验证程序编写是否正确，对上级调试具有极大便利。

S7-PLCSIM主要功能有：

A.可以对S7-1200、S7-400PLC用户程序做离线仿真和调试，同时能够访问模拟PLC的I/O存储器、累加器及寄存器。在仿真运行窗口中，对输入变量的ON/OFF转台进行改变，通过对输出变量的状态进行观察来监视程序运行结果。

B.对计数器和定时器进行监视和修改，通过设置程序对定时器和计数器进行自动运行和手动复位。

C.对位存储器、外围输入变量区和外围输出变量区进行模拟操作，还可读取存储在数据块中的数据。

S7-PLCSIM主要组成部分有：

A.相当于实物PLC的虚拟PLC。将程序导入到虚拟PLC中。虚拟PLC能够像实物一样执行用户程序。

B.CPU视图对象。在仿真开始时，用户可在CPU视图对象界面中选择运行、停止和暂停工作方式。

C.插入视图对象。可通过字节、二进制等数据形式访问输入变量、输出变量、位存储器视图对象中相应的数据区。

在小车自动往返仿真实验中，先在S7-PLCSIM中建立小车自动往返项目，将在博途软件中编写好的用户程序导入到S7-PLCSIM中。在S7-PLCSIM仿真视图中设备组态如图3所示。

图3 设备组态Fig.3 Equipment configuration

通过使用仿真软件，修改设备组态中相应的监视值，实现对相应触点状态的改变。本研究项目中，根据要求可改变梯形图中启动触点状态、停止触点状态，用来完成启动操作和停止操作。通过改变左限位触点状态、右限位触点状态来模拟小车碰触到左极限和右极限的动作，按照控制要求对相应触点状态进行改变。在这里，相应触点动作变化按照控制要求中相应顺序来进行，通过触点状态的改变，实现对左行线圈和右行线圈的控制，从而实现对小车往返运动的控制。

可通过将在Portal软件中编写好的程序导入到S7-PLCSIM仿真软件中。这里的S7-PLCSIM相当于一个虚拟PLC。程序导入到S7-PLCSIM后，在S7-PLCSIM设备组态中显示相应的软元件，使用者可修改相应软元件的监视值，达到在模拟控制栏中控制相应外接器件信号的变化。在梯形图中，根据梯形图程序段中电流流经软元件的变化，可推断出相应外接设备的变化。根据软元件的变化情况，对编写好的程序进行检查，检验程序是否满足控制要求。通过仿真软件的应用，能够极大提高程序编写的准确性，同时便于在没有PLC的情况下仍能进行程序编写、验证。

4 结语

以PLC应用中常见的运料小车自动往返运动为例，详细介绍了基于西门子S7-1200基础上的portal程序编写以及S7-PLCSIM仿真应用。通过这个示例，展现了portal软件和S7-PLCSIM在西门子PLC程序编写、仿真调试中的强大功能，并通过二者联合应用，展现出西门子PLC软件在自动化领域的强大功能。