一、技術(shù)背景
隨著西門子S7-1500/1200系列PLC及TIA PORTAL博圖軟件應(yīng)用的逐步推廣，在軟硬件標(biāo)準(zhǔn)化模塊化得到深入應(yīng)用的基礎(chǔ)上，一些高端用戶對PLC系統(tǒng)在柔性化應(yīng)用方面有了更多的需求：
1、在有限的硬件資源前提下最大限度地去滿足設(shè)備實(shí)際運(yùn)行使用中的各種需求：
比如某一中小型鍋爐控制系統(tǒng)，其基本控制功能涉及的控制設(shè)備(比如燃燒器，主輔循環(huán)泵，主回路閥門，溫度壓力流量傳感器等)是確定不變的，但根據(jù)客戶需求的不同有些輔助設(shè)備(補(bǔ)水泵，風(fēng)機(jī)，補(bǔ)水閥，調(diào)節(jié)閥，泄壓閥，輔助電源等)是否使用及其使用數(shù)量是有變化的，由于中小型供暖鍋爐的控制系統(tǒng)一般據(jù)均采用小型PLC控制系統(tǒng)，硬件IO的擴(kuò)展能力有限，控制系統(tǒng)的安裝空間有限，所以鍋爐制造廠家在系統(tǒng)標(biāo)配的基礎(chǔ)上，希望利用系統(tǒng)多余的IO點(diǎn)，能在一定程度上靈活應(yīng)對上述設(shè)備需求的變化，簡化控制系統(tǒng)和程序，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。
2、在一定規(guī)模的硬件資源下力求達(dá)到系統(tǒng)的最大靈活性：
比如某汽車總裝車間的線邊倉科的撿料防錯(cuò)系統(tǒng)，每當(dāng)車型轉(zhuǎn)換投產(chǎn)，線邊倉庫的部件庫位位置及數(shù)量都會有較大的變化，撿料防錯(cuò)系統(tǒng)的指示燈傳感器也會被相應(yīng)地重新部署，這樣庫位與指示燈傳感器對應(yīng)關(guān)系會發(fā)生變化，不同型號的指示燈傳感器(對應(yīng)不同的IO數(shù)量)使用數(shù)量也會發(fā)生變化，重新組態(tài)庫位與指示燈傳感器的對應(yīng)關(guān)系，以往需要修改并更新控制系統(tǒng)的程序，這需要專業(yè)的工程師才能做，那么如何能實(shí)現(xiàn)不修改控制系統(tǒng)程序，僅由普通生產(chǎn)管理人員通過人機(jī)界面以修改參數(shù)的形式重新組態(tài)庫位呢？
我們知道，西門子的S7系統(tǒng)早已實(shí)現(xiàn)了硬件配置用戶程序再組態(tài)的功能，S7-300/400/1200/1500/均可由用戶程序?qū)崿F(xiàn)分站一級到模塊級別硬件再配置功能，然而這是硬件層面的解決方案，并不能滿足上述兩個(gè)例子的需求，因此還要通過軟件層面的配合來最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。在解決上述新的應(yīng)用需求的實(shí)踐過程中，黃芩提出了一種在博圖環(huán)境下通過用戶程序?qū)崿F(xiàn)硬件IO可自由組態(tài)的基本編程方法，拋磚引玉，與大家共同探討并開拓PLC柔性化系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的方法與思路。
為了便于說明問題，我們把目標(biāo)控制系統(tǒng)簡化成一個(gè)簡單的單純的MCC控制系統(tǒng)，該MCC控制系統(tǒng)滿足如下已知條件：
1、滿足若干個(gè)直接啟停電機(jī)的控制的硬件IO的需求；
2、每個(gè)電機(jī)包括啟動、停止、故障復(fù)位，故障反饋4個(gè)輸入信號；運(yùn)行輸出，故障指示2個(gè)輸出信號；
3、電機(jī)控制功能塊是已經(jīng)經(jīng)過測試并封裝好的FB(功能塊)；
系統(tǒng)控制程序?qū)崿F(xiàn)要求：
1、實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)對任意一臺電機(jī)的可靠控制；
2、電機(jī)控制程序?qū)?yīng)的硬件IO點(diǎn)可通過用戶程序?qū)崿F(xiàn)自由定義，使控制系統(tǒng)能按實(shí)際硬件IO接線及定義正確地完成控制任務(wù)；
3、必須使用且不能修改已封裝的FB塊；
4、不允許修改控制程序及重新下載控制程序(包括數(shù)據(jù)塊)的方式，只能通過在線修改參數(shù)方式來實(shí)現(xiàn)控制對象硬件IO的定義；
5、實(shí)現(xiàn)方法力求簡單易行，不占用過多的系統(tǒng)資源；
6、博圖V14版本編程環(huán)境下，S7-1200/1500程序通用。
二、方案分析與實(shí)現(xiàn)
圖1所示系統(tǒng)是一個(gè)基于S7-1200PLC的小型MCC控制系統(tǒng)示例，由以下元器件組成：
CPU1215C DC/DC/DC×1
EM223 16DI DC/16DO DC×3
是一個(gè)以開關(guān)量信號為主的簡單控制系統(tǒng)，其IO點(diǎn)滿足一個(gè)小型MCC控制系統(tǒng)的點(diǎn)數(shù)需求。
圖2是一個(gè)常見的啟?？刂茙Ч收媳Ｗo(hù)邏輯的電機(jī)控制功能塊，有4個(gè)bool輸入變量，2個(gè)bool輸出變量，并且封裝成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的功能塊FB1，我們以此功能塊為例代表已有的成熟的控制功能，希望在不對該功能塊做任何改變的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)控制器硬件IO由用戶程序自由定義，并且控制系統(tǒng)能按實(shí)際硬件IO接線及定義基于該功能塊正確地完成MCC控制系統(tǒng)的控制任務(wù)。
圖3為示例中電機(jī)直接控制功能塊在博圖中的傳統(tǒng)調(diào)用方式，功能塊多次調(diào)用，生成多個(gè)對應(yīng)的背景數(shù)據(jù)塊，每次調(diào)用其輸入輸出參數(shù)均為實(shí)參賦值，顯式調(diào)用，多重背景調(diào)用亦是如此。如果某一個(gè)電機(jī)控制塊的對應(yīng)的硬件IO點(diǎn)需要修改，則需要修改程序并重新下載，系統(tǒng)才能按新的硬件IO對應(yīng)方式進(jìn)行工作。
如何可以不需要修改并重新下載程序，僅僅通過修改運(yùn)行程序的數(shù)據(jù)，就能改變控制功能塊與硬件IO對應(yīng)關(guān)系呢？
顯然只有通過間址尋址的方式才能實(shí)現(xiàn)硬件IO變址訪問的要求，博圖V14版本以上只有SCL編程語言的PEEK_BOOL/POKE_BOOL指令可以比較方便的實(shí)現(xiàn)對硬件IO位地址的間址尋址，即間址讀寫訪問。
圖4為通過PEEK_BOOL / POKE_BOOL 指令實(shí)現(xiàn)硬件IO位地址間址尋址的硬件IO地址說明表，采用UDT形式，以便后續(xù)程序中多次調(diào)用，變量具體說明如下：
Area： 16#81 代表輸入 (Input)
16#82 代表輸出 (Output)
Byte_Offset： 字節(jié)地址 >= 0
Bit_Offset： 位地址 0-7位
Value： IO位變量的值，輸入為寫操作，輸出為讀操作
Status： 16#00 代表IO未被使用 Deactivated
16#01 代表IO被使用 Activated
16#FF 代表IO說明錯(cuò)誤 Fault
圖5為IO變址映射功能FC1000，SCL語言編寫，輸入輸出通用，根據(jù)硬件IO地址說明表中指定的硬件IO地址讀取輸入點(diǎn)的狀態(tài)或刷新輸出點(diǎn)的狀態(tài)，每個(gè)硬件IO位調(diào)用一次。
我們引入控制對象的概念，示例中每一個(gè)電機(jī)就是一個(gè)控制對象，每個(gè)電機(jī)控制對象包括了4個(gè)位輸入，2個(gè)位輸出，1個(gè)背景數(shù)據(jù)塊，通過控制對象硬件IO表（UDT）將每個(gè)控制對象的硬件IO關(guān)聯(lián)到一起。可以有以下兩種定義方式：
圖6所示直接根據(jù)控制對象硬件IO的名稱定義控制對象硬件IO表，這種方式后續(xù)再封裝程序的可讀性強(qiáng)一些，與控制功能塊的輸入輸出管腳定義是一致的，即控制對象硬件IO表與控制功能塊輸入輸出是明確指定關(guān)聯(lián)關(guān)系的。然而一個(gè)控制系統(tǒng)的控制對象往往是多樣化的，其硬件IO的數(shù)量和類型也會不同，這樣做的結(jié)果是不同的控制對象，就要定義一個(gè)對應(yīng)的控制對象硬件IO表，導(dǎo)致編程過于繁瑣，另外也不利于控制功能塊多次調(diào)用后實(shí)現(xiàn)對硬件IO表的訪問的編程；
圖7所示采用數(shù)組形式定義控制對象硬件IO表，只要數(shù)組變量的數(shù)量滿足需求，可以事先不用確定數(shù)組變量關(guān)聯(lián)的硬件IO其類型究竟是輸入還是輸出，滿足程序標(biāo)準(zhǔn)化柔性化的要求。
圖9-12為基于原控制功能塊FB1基礎(chǔ)上再進(jìn)行封裝的硬件IO可定義的控制功能FC100，實(shí)際上就是通過IO變址映射功能FC1000將一個(gè)未指定的控制對象硬件IO表與原控制程序FB1進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，F(xiàn)C100的每一次調(diào)用就代表了一個(gè)硬件IO可自由定義的控制對象。
封裝好的硬件IO可定義的控制功能塊FC100
當(dāng)然硬件IO表中的元素是否一定要與原控制程序FB1關(guān)聯(lián)，也是可以自由選擇的，本例中考慮多個(gè)控制對象的故障復(fù)位命令信號可能會共用同一個(gè)變量，因此FB1的Reset參數(shù)就未與控制對象硬件IO定義表關(guān)聯(lián)，而是單獨(dú)直連FC100的同名輸入變量了。
圖13-14是一個(gè)具有10個(gè)控制對象的小型MCC控制功能塊FB100的完整示例程序，在保留原有傳統(tǒng)控制功能塊FB1的控制功能的基礎(chǔ)上，又實(shí)現(xiàn)了任意一個(gè)控制對象的硬件IO點(diǎn)可自由定義的功能，且硬件IO點(diǎn)的關(guān)聯(lián)與激活亦可由用戶靈活決定。
由于底層的硬件IO地址說明表采用了結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，中間層控制對象硬件IO表及頂層控制對象功能調(diào)用均采用了數(shù)組結(jié)構(gòu)形式，因此整體控制程序結(jié)構(gòu)變得極為簡單，循環(huán)調(diào)用即可，數(shù)組結(jié)構(gòu)也使得每個(gè)控制對象關(guān)聯(lián)的硬件IO地址說明表很容易通過間址尋址的方式實(shí)現(xiàn)讀寫訪問，甚至是不同的控制對象且每個(gè)控制對象關(guān)聯(lián)著不同數(shù)量的硬件IO點(diǎn)。
由此可見，在博圖環(huán)境下通過上述的編程思路和方法，硬件IO可定義MCC控制功能塊的程序代碼得到了極大的精簡，且控制對象的數(shù)量多少以及每個(gè)控制對象關(guān)聯(lián)硬件IO點(diǎn)的多少均與程序代碼量無關(guān)。
圖15為硬件IO可定義MCC控制功能塊在OB1的調(diào)用，我們可以通過變量修改的方式修改DB100中IO_Obj數(shù)組變量關(guān)聯(lián)的硬件IO點(diǎn)，示例中激活了3個(gè)控制對象關(guān)聯(lián)的硬件IO點(diǎn)，分別位于S7-1200不同的IO擴(kuò)展模塊上，地址定義如圖16-18所示：
三、應(yīng)用體會
1、博圖的創(chuàng)新平臺，使得通過用戶程序?qū)崿F(xiàn)硬件IO自由組態(tài)成為可能，可保留原有傳統(tǒng)的成熟應(yīng)用的控制功能塊，無需對原有功能塊進(jìn)行改造，不需要復(fù)雜的編程，在梯形圖下即可很容易地實(shí)現(xiàn)（示例中的硬件IO變址映射功能FC1000亦可在梯形圖環(huán)境下編程，只是在使用PEEK/POKE指令時(shí)需插入SCL語言程序段），并且實(shí)現(xiàn)S7-1200/1500通用化。
2、示例中是針對一個(gè)功能塊FB來實(shí)現(xiàn)其輸入輸出參數(shù)硬件IO地址用戶程序可組態(tài)的功能的，然而在實(shí)際編程中發(fā)現(xiàn)FB的多重背景應(yīng)用是可以數(shù)組化的(含V14版本以上)，但參數(shù)實(shí)例只能是單個(gè)的數(shù)據(jù)塊定義而無法數(shù)組化定義的，這給編程的靈活性還是帶來了一定的影響。
因此多控制對象應(yīng)用必須通過FB的多重背景才能實(shí)現(xiàn)，期望博圖軟件在這方面能夠更有進(jìn)一步的創(chuàng)新，以方便用戶程序開發(fā)。
反之，這也讓我們看到了另一種可能性，即用FC加全局DB替代FB(這種方式編程在S7-300/400/1200/1500的軟件開發(fā)中不常見)，利用全局?jǐn)?shù)據(jù)比較容易實(shí)現(xiàn)數(shù)組化的特點(diǎn)，同樣在原有程序基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)硬件IO地址用戶程序可組態(tài)，也許這樣編程方法會更加的靈活簡單。
3、有一種情況我在前面應(yīng)用背景的描述中沒有提及，即IO點(diǎn)如果損毀，那么我們不用修改程序就可以替換IO點(diǎn)了。的確是可以這么做，而且很容易實(shí)現(xiàn)，這是硬件IO用戶程序可組態(tài)的編程方法實(shí)現(xiàn)帶來的“副作用”，當(dāng)然這是有益的“副作用”，但是當(dāng)初的確也沒有以“損毀IO無編程替換”為目的來做這項(xiàng)軟件開發(fā)的，沒有引入控制對象的概念，如果這么做反而是有難度的了。
4、本文講述了在博圖環(huán)境下通過用戶程序?qū)崿F(xiàn)硬件IO自由組態(tài)的基本方法，還是原理性質(zhì)的，其真正要應(yīng)用到實(shí)際的項(xiàng)目中去，仍舊有很多的實(shí)際的技術(shù)問題需要去解決的，比如：
①在嘗試使用精簡型面板為上述系統(tǒng)開發(fā)一個(gè)簡易的硬件IO地址參數(shù)設(shè)置界面時(shí)，發(fā)現(xiàn)在優(yōu)化數(shù)據(jù)塊訪問即全符號名訪問的設(shè)置下，HMI還是只能實(shí)現(xiàn)一維的數(shù)組變量的變址訪問(圖21所示)，其結(jié)果如圖20所示，IO地址參數(shù)設(shè)置界面的形式就只能與具體的控制對象綁定了；因此在目前博圖的技術(shù)能力下，要實(shí)現(xiàn)“去控制對象化”的通用標(biāo)準(zhǔn)化的硬件參數(shù)設(shè)置界面功能，還是需要通過PLC及HMI兩者緊密的編程配合來實(shí)現(xiàn)。
同時(shí)，面對數(shù)量眾多的硬件IO點(diǎn)的地址表，通過HMI逐一手工輸入的方式并不可取，費(fèi)時(shí)費(fèi)力枯燥易錯(cuò)，HMI只能適合少量人工輸入及修改；因此，還是要有更簡便高效的方案來實(shí)現(xiàn)(比如通過計(jì)算機(jī)EXCEL文件編輯硬件IO地址表，把它導(dǎo)出為格式文件，然后拷貝到PLC的MMC卡，再由PLC程序讀取格式文件的數(shù)據(jù)到內(nèi)部數(shù)據(jù)塊的方式)。
②在實(shí)際應(yīng)用中，PLC硬件的組態(tài)是變化的，實(shí)際可尋址的IO物理地址范圍也是變化的，因此，實(shí)現(xiàn)硬件IO地址尋址范圍的合法性判斷，從而避免程序的尋址錯(cuò)誤也是很有必要的。
③本文闡述的硬件IO用戶程序可組態(tài)的編程實(shí)現(xiàn)方法，使得程序的硬件IO尋址由顯式尋址改為隱式尋址，因此通過程序代碼來檢查某個(gè)硬件IO是否被重復(fù)使用的可能性幾乎沒有，尤其輸出類型的硬件IO點(diǎn)是需要嚴(yán)格限制重復(fù)訪問的(不僅僅是輸出多線圈問題，還有多控制對象使用同一輸出點(diǎn)的安全性問題)，因此硬件IO點(diǎn)地址參數(shù)設(shè)置查重也是一個(gè)很重要的技術(shù)點(diǎn)，似乎每設(shè)定一個(gè)硬件IO點(diǎn)的地址就要比對所有已有的硬件IO地址的方法是不可取的，這個(gè)運(yùn)算量不是一個(gè)普通PLC能夠勝任的。
④在實(shí)際應(yīng)用中控制對象IO定義動態(tài)修改所引發(fā)的控制系統(tǒng)安全隱患也必須引起足夠的重視，并且要有可靠的對策；輸入點(diǎn)的再定義會導(dǎo)致控制信號產(chǎn)生額外的信號變化，輸出點(diǎn)的再定義會導(dǎo)致被替換輸出點(diǎn)的失控以及替換輸出點(diǎn)意外輸出或切斷，因此本實(shí)現(xiàn)方法實(shí)際并不適合IO定義的動態(tài)修改，比較安全的做法是在設(shè)備整體停運(yùn)，主動力電源被有效切斷的前提下，IO再定義功能才能被激活使用，并且應(yīng)配合HMI的權(quán)限管理功能。
⑤PLC如何永久保存已經(jīng)設(shè)置好的硬件IO點(diǎn)的地址參數(shù)，在經(jīng)歷了PLC長時(shí)間斷電，斷電重啟，數(shù)據(jù)區(qū)總清復(fù)位后，系統(tǒng)如何能夠依舊正常地工作。西門子S7系統(tǒng)事實(shí)上也已經(jīng)提供了很好的解決方案，示例中如圖16-18所示的背景數(shù)據(jù)塊DB100中Ctrl_Object_DB.IO_Obj的數(shù)組結(jié)構(gòu)是存儲硬件IO點(diǎn)的地址參數(shù)的數(shù)據(jù)區(qū)，我們可以通過WRIT_DBL指令將該數(shù)組結(jié)構(gòu)的內(nèi)容拷貝到CPU具有“僅存儲在裝載內(nèi)存中”屬性的數(shù)據(jù)塊中，起到永久保存設(shè)置參數(shù)的作用；等到系統(tǒng)重新上電初始化時(shí)，我們通過OB100觸發(fā)READ_DBL指令，將備份的數(shù)據(jù)又拷貝到CPU工作內(nèi)存中的DB100 Ctrl_Object_DB.IO_Obj的數(shù)組結(jié)構(gòu)中去，恢復(fù)因斷電或總清而被清除的設(shè)置參數(shù)。
博圖下通過用戶程序?qū)崿F(xiàn)硬件IO自由組態(tài)的基本方法，為各類自動化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟硬件層面的模塊化，標(biāo)準(zhǔn)化，柔 性化設(shè)計(jì)提供了又一種切實(shí)可行的方案，也體現(xiàn)了博圖平臺與S7-1200/1500系列PLC的卓越性能，相信隨著博圖平臺的不 斷完善，一定能助力西門子自動化用戶實(shí)現(xiàn)更多更好的創(chuàng)新應(yīng)用，創(chuàng)造出更大的價(jià)值！
