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?，對程序進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：PLC；TIA；面向?qū)ο缶幊?；西門子；軟件應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP319" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：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(jìn)，自動(dòng)化生產(chǎn)需求不斷增長。大型設(shè)備之間的協(xié)調(diào)生產(chǎn)以及客戶的個(gè)性化定制，導(dǎo)致程序變得千變?nèi)f化，制造成本不斷上升。為應(yīng)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(jìn)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(jìn)行討論，重點(diǎn)分析面向?qū)ο缶幊淘谖鏖T子TIA軟件中的具體應(yīng)用，旨在為自動(dòng)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(yīng)對復(fù)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(wù)。它強(qiáng)調(diào)的是解決問題的步驟和過程，把問題分解為一個(gè)個(gè)具體的步驟，每個(gè)步驟用一個(gè)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)[1]。程序的執(zhí)行嚴(yán)格按照函數(shù)的調(diào)用順序進(jìn)行，先執(zhí)行哪個(gè)函數(shù)，后執(zhí)行哪個(gè)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(shí)現(xiàn)功能。圖1是典型的PLC自動(dòng)化面向過程編程的流程圖，是根據(jù)自動(dòng)化設(shè)備的工藝過程進(jìn)行編程，執(zhí)行效率高，適用于小型獨(dú)立的自動(dòng)化產(chǎn)線。此方法不易于復(fù)制，一臺(tái)設(shè)備一個(gè)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(shí)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(jìn)行操作的方法[2]。對象具有獨(dú)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(jìn)行訪問。面向?qū)ο缶幊淌沟贸绦蚋幽K化、易于維護(hù)和擴(kuò)展，被廣泛應(yīng)用于各種軟件開發(fā)領(lǐng)域。圖2是典型的PLC自動(dòng)化面向?qū)ο蟮木幊塘鞒?，把自?dòng)化產(chǎn)線內(nèi)部分成一個(gè)個(gè)對象進(jìn)行編程，適用于大型項(xiàng)目。當(dāng)產(chǎn)線工藝或者設(shè)備改變時(shí)，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(jié)構(gòu)、功能實(shí)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(shí)現(xiàn)功能，主要依賴函數(shù)和子程序的調(diào)用來處理任務(wù)，這種編程方式強(qiáng)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(hù)機(jī)制。因此，數(shù)據(jù)可以被任意函數(shù)訪問和修改，容易導(dǎo)致程序維護(hù)困難，特別是在大型系統(tǒng)中，隨著系統(tǒng)的復(fù)雜度增加，代碼的可讀性和可維護(hù)性下降。相比之下，面向?qū)ο缶幊淌且浴皩ο蟆睘橹行?，注重通過對象組織代碼，強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)與操作數(shù)據(jù)的方法相結(jié)合的一種編程方法。面向?qū)ο缶幊痰暮诵母拍钣蓄?、對象、封裝、傳承和多態(tài)等。類是面向?qū)ο缶幊讨械幕緲?gòu)建塊，它既對數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)世界中實(shí)體的類例[3]。面向?qū)ο缶幊逃行У乇Ｗo(hù)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(jié)構(gòu)比較簡單，但是函數(shù)之間的相互依存性在處理復(fù)雜的系統(tǒng)時(shí)就會(huì)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(jī)制，將系統(tǒng)分解成幾個(gè)只專注于自身功能與資料的獨(dú)立模塊，以達(dá)到復(fù)用與擴(kuò)充代碼的目的，以提升系統(tǒng)的可維護(hù)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(dòng)化軟件（Totally Integrated Automation Portal，TIA）是西門子集團(tuán)推出的一款具有重要意義的軟件平臺(tái)。TIA編程采用了統(tǒng)一的工程組態(tài)和軟件項(xiàng)目環(huán)境，幾乎適用于所有自動(dòng)化任務(wù)，意味著用戶可以在一個(gè)集成的開發(fā)環(huán)境中完成對西門子全集成自動(dòng)化中所涉及的所有自動(dòng)化和驅(qū)動(dòng)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(jī)界面和過程可視化應(yīng)用的軟件等。例如，無論是PLC（可編程邏輯控制器）的程式設(shè)計(jì)，還是HMI（人機(jī)界面）的畫面設(shè)計(jì)，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(dòng)化軟件相比十分明顯。傳統(tǒng)自動(dòng)化軟件完成不同的任務(wù)通常需要使用多個(gè)不同的軟件包，如PLC編程、硬件設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)調(diào)試等，而這些軟件之間的數(shù)據(jù)交互與整合往往復(fù)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(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)上集成了這些功能，在簡化工程流程、提高效率的同時(shí)，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(shè)計(jì)、功能模塊的豐富程度以及對新技術(shù)的支持，更符合現(xiàn)代自動(dòng)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(dòng)化解決方案，具有多項(xiàng)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(tái)上完成從設(shè)計(jì)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?fù)雜性，提高了工作效率；②多語言編程支持，包括梯形圖（Ladder Diagram）、結(jié)構(gòu)化文本（Structured Text）、功能塊圖（Function Block Diagram）等，滿足不同工程師的編程習(xí)慣和項(xiàng)目需求，增強(qiáng)了編程的靈活性和適應(yīng)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(xùn)費(fèi)用，使得項(xiàng)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(jì)算環(huán)境設(shè)計(jì)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(jī)時(shí)間的情況下，保證在各種環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行；⑤豐富的功能與庫，TIA軟件提供大量支持運(yùn)動(dòng)控制、安全技術(shù)、能源管理等快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的預(yù)定義功能與庫，縮短開發(fā)周期；⑥具備強(qiáng)大的診斷與維護(hù)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(jìn)診斷工具，使系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)效率得以提高；⑦高度的可擴(kuò)展性，能夠適應(yīng)不同規(guī)模和復(fù)雜程度的自動(dòng)化需求，保證企業(yè)長期發(fā)展和投資回報(bào)的TIA軟件支持從小到大項(xiàng)目的無縫擴(kuò)展[6]。

3" 面向?qū)ο缶幊淘谖鏖T子TIA軟件中的應(yīng)用

3.1" 面向?qū)ο缶幊虡?biāo)準(zhǔn)化的好處

面向?qū)ο缶幊蹋∣OP）在西門子TIA軟件中的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)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(fù)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(xiàng)目和模塊中重復(fù)使用。舉例來說，一個(gè)用于控制電動(dòng)機(jī)的類，不需要重新編寫相同的代碼，就可以直接在多個(gè)項(xiàng)目中使用。②模塊化設(shè)計(jì)，使編碼結(jié)構(gòu)更清晰，維護(hù)起來也更簡便。每個(gè)對象負(fù)責(zé)特定的功能，這種松耦合的設(shè)計(jì)可以讓代碼更容易理解和修改，并降低維護(hù)成本，通過接口來與其他對象進(jìn)行交互。例如，當(dāng)某項(xiàng)功能需要更新時(shí)，只需對相關(guān)類別進(jìn)行修改即可，無須對整個(gè)程序進(jìn)行改動(dòng)。③增強(qiáng)的可擴(kuò)展性，讓系統(tǒng)適應(yīng)變化變得更簡單。當(dāng)新功能或?qū)ΜF(xiàn)有功能進(jìn)行修改時(shí)，只需在不影響其他部分代碼的情況下對相應(yīng)類別進(jìn)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(shù)變化做出快速反應(yīng)的大型和復(fù)雜自動(dòng)化項(xiàng)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(cuò)誤，增強(qiáng)代碼的堅(jiān)固性。封裝能夠隱藏物體內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)細(xì)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(tuán)隊(duì)配合。模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的面向?qū)ο缶幊烫匦?，讓團(tuán)隊(duì)成員的協(xié)作效率更高。每個(gè)人都可以把精力集中在自己負(fù)責(zé)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(fèi)用[7]。

3.2" 對象類的建立

PLC面向?qū)ο缶幊讨?，一個(gè)自動(dòng)化設(shè)備或者一種自動(dòng)化工藝都可以作為一個(gè)對象。每一個(gè)對象建立一個(gè)FB功能塊，對象的程序包含手動(dòng)功能、自動(dòng)功能、復(fù)位功能、數(shù)據(jù)處理和報(bào)警信息。整個(gè)對象就是一個(gè)獨(dú)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(gè)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(gè)設(shè)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(bào)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(hào)；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(hào)；報(bào)警數(shù)據(jù)是對外輸出運(yùn)行過程中的故障信息；HMI數(shù)據(jù)是人機(jī)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(hào)交換的信號(hào)結(jié)合。圖3為典型的對象封裝FB功能塊，不同項(xiàng)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(gè)編程流程如下：

1）整個(gè)控制流程分為若干個(gè)對象，定義每一個(gè)對象的輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)、報(bào)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(guān)的數(shù)據(jù)類型。

3）根據(jù)對象定義的相關(guān)數(shù)據(jù)類型，新建全局?jǐn)?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(bào)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(gè)程序中把PLC實(shí)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(gè)獨(dú)立的對象FB功能塊，定義好功能塊的輸入、輸出、報(bào)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?jǐn)?shù)據(jù)到各個(gè)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(yīng)用，要求開發(fā)者按照特定的步驟和方法來實(shí)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(dòng)TIA Portal并打開項(xiàng)目。在項(xiàng)目樹中選擇“PLC程序”，點(diǎn)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(shè)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(luò)（Network）”部分編寫程序邏輯，實(shí)現(xiàn)該類的功能。例如，編寫控制傳送帶的啟動(dòng)、停止及速度調(diào)節(jié)的邏輯。

類定義完成后，需要實(shí)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(gè)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(shí)例化對象。例如，在“Main OB”中調(diào)用FB_Conveyor，創(chuàng)建一個(gè)名為Conveyor_Inst1的對象。為每個(gè)對象分配一個(gè)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(chǔ)第一個(gè)傳送帶對象的實(shí)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(shí)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(shè)置變量的訪問權(quán)限。將變量設(shè)置為“Public（公有）”或“Private（私有）”。例如，傳送帶的速度屬性可以設(shè)置為“Public”，允許外部程序修改其值；而內(nèi)部的計(jì)數(shù)器狀態(tài)可以設(shè)置為“Private”，防止外部程序意外更改計(jì)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(gè)“Start Conveyor”的方法，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)傳送帶的邏輯。在程序中的某個(gè)位置調(diào)用實(shí)例的某個(gè)方法。例如，通過調(diào)用Conveyor_Inst1.Start（）來啟動(dòng)第一個(gè)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(jìn)入在線模式，監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)塊，查看每個(gè)實(shí)例的屬性是否按預(yù)期變化。通過觀察方法調(diào)用的實(shí)際執(zhí)行情況，驗(yàn)證功能塊是否按設(shè)計(jì)邏輯執(zhí)行。例如，當(dāng)啟動(dòng)傳送帶時(shí)，相關(guān)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(cuò)誤并加以修正。

4" 結(jié)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(fù)雜性，提供了代碼復(fù)用性和模塊化管理能力，增強(qiáng)了程序的可維護(hù)性和擴(kuò)展性。在PLC項(xiàng)目中，通過面向?qū)ο蟮姆绞浇M織控制邏輯，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和行為更加直觀。OOP標(biāo)準(zhǔn)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(fù)，降低了編程錯(cuò)誤率，提升了項(xiàng)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(fù)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(jìn)一步提升自動(dòng)化系統(tǒng)的效率和智能化水平。

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