基于西門子PLC系統(tǒng)的跨品牌HMI移植技術(shù)研究

王星罡，顧華

（上汽通用汽車有限公司，上海 201208）

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車生產(chǎn)、制造朝著自動化、智能化方向加速邁進(jìn)。自動化技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用滿足了以下幾方面的要求：第一，提高生產(chǎn)率的要求：越來越高的產(chǎn)量要求，使企業(yè)運用自動化技術(shù)。第二，汽車性能提升要求：汽車產(chǎn)品技術(shù)的提高，越來越朝智能化、舒適化發(fā)展，這就要求制造和測試汽車的設(shè)備也更加智能化和自動化。第三，客戶對汽車品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)提升的要求：汽車行業(yè)對汽車品質(zhì)的安全性、制造質(zhì)量、環(huán)境要求越來越高，也催生了設(shè)備自動化檢測技術(shù)和制造技術(shù)的提升。

PLC技術(shù)發(fā)展到今天，西門子(Siemens)PLC在世界上應(yīng)用最為廣泛。其主要通訊方式為基于總線技術(shù)的Profibus通訊和基于以太網(wǎng)技術(shù)的Profinet通訊。任何第三方的設(shè)備，例如：傳感器、編碼器、變頻器、遠(yuǎn)程IO模塊、HMI等，只要提供基于所需通訊技術(shù)的GSD文件，就可以集成在西門子PLC系統(tǒng)中。這大大方便了第三方供應(yīng)商和自動化一體化的實現(xiàn)，使得自動化系統(tǒng)中各種電氣元件能夠發(fā)揮更好的作用。當(dāng)某款產(chǎn)品停產(chǎn)下線后，為其他產(chǎn)品進(jìn)行替代提供了可能性。

1 背景介紹

由于某生產(chǎn)車間機運系線上的Sutron HMI停產(chǎn)，找到新HMI進(jìn)行替代已迫在眉睫。而無論選擇市場上哪款HMI進(jìn)行替代，都需要做一定的可行性研究和測試。為了與主流的控制應(yīng)用保持一致，確定以Siemens TP700HMI作為替代研究的方向，并盡量對PLC程序的修改量最小化。

2 移植方案及技術(shù)研究

2.1 原系統(tǒng)方案

控制系統(tǒng)基于西門子400系列PLC—CPU416-2DP，Profibus總線通訊方式，觸摸屏為第三方提供的HMI。HMI供應(yīng)商提供GSD文件，掛在西門子總線系統(tǒng)下作為DP從站與主PLC進(jìn)行通訊，如圖1所示。西門子PLC通過調(diào)用系統(tǒng)功能程序SFC14/SFC15，與HMI進(jìn)行16字節(jié)輸入、16字節(jié)輸出的數(shù)據(jù)通訊。

圖1 原系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

PLC將相關(guān)的報警信息、設(shè)備狀態(tài)信息等信號發(fā)送給HMI做相應(yīng)的顯示，HMI將邏輯調(diào)用命令、信息修改等信號發(fā)送給PLC。

其中，Profibus符合國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158，是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一，是網(wǎng)絡(luò)連接節(jié)點最多的現(xiàn)場總線。帶有Profibus-DP主站、從站接口的CPU能夠?qū)崿F(xiàn)高速和使用方便的分布式I/O控制。

GSD是可讀的ASCII碼文本文件，包括通用的和與設(shè)備有關(guān)的通信技術(shù)規(guī)范。為了將不同廠家生產(chǎn)的Profibus產(chǎn)品集成在一起，生產(chǎn)廠家必須以GSD文件方式提供這些產(chǎn)品的功能參數(shù)，如I/O點數(shù)、診斷信息、傳輸頻率、時間監(jiān)控等。同時須保證GSD文件符合總線規(guī)范的要求。

2.2 替換方案

對一款自動化產(chǎn)品進(jìn)行替換的通常做法是，使用其更新?lián)Q代后的升級產(chǎn)品。同一品牌的產(chǎn)品升級時，會盡量保持接口不變，以減少改動量或不改動程序的方式進(jìn)行替換。當(dāng)無相應(yīng)的升級產(chǎn)品時，只能轉(zhuǎn)而研究其他品牌的產(chǎn)品來進(jìn)行替代。

根據(jù)控制應(yīng)用現(xiàn)狀、備件統(tǒng)一等原則，選用西門子公司的TP700HMI產(chǎn)品作為替換。替換解決了以下幾個主要問題，并使畫面的功能和質(zhì)量得到了很大的提高。

2.2.1 解決網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)限制問題

原系統(tǒng)的通訊方式是Profibus，所以仍將TP700保留在Profibus總線框架內(nèi)。TP700HMI作為二類主站，可直接在HMI端設(shè)置總線DP地址或IP地址（基于Profinet），并不需要組態(tài)在PLC系統(tǒng)中（原HMI作為智能從站需要組態(tài)在Profibus總線下）。但由于TP700的二類主站屬性，雖然通訊數(shù)據(jù)量大大提高，但卻導(dǎo)致同一DP總線下的DP從站數(shù)量不得超過50個。根據(jù)車間生產(chǎn)線的工藝和設(shè)備功能要求，DP網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量遠(yuǎn)不止50個。從而必須為TP700HMI單獨開辟一條DP網(wǎng)絡(luò)。

2.2.2 突破軟件環(huán)境限制

根據(jù)現(xiàn)有控制系統(tǒng)框架，HMI的編程和組態(tài)在Siemens Portal V14軟件中完成；PLC程序的編程和組態(tài)在Siemens STEP7中完成。通訊方式為Profinet（基于以太網(wǎng)協(xié)議開發(fā)）。為沿用老的Profibus總線通訊架構(gòu)，需對端口進(jìn)行修改，并修改PLC程序。

2.2.3 優(yōu)化畫面質(zhì)量

原HMI畫面較少、功能較單一，新畫面模板具有更多的功能。替換后，將采用模塊化的方式，將不同功能的、重復(fù)出現(xiàn)的子畫面進(jìn)行模塊化編號，用Portal V14的腳本功能對畫面的調(diào)用進(jìn)行編譯，同時將當(dāng)前操作畫面與PLC程序聯(lián)系起來，調(diào)用PLC數(shù)據(jù)塊的相關(guān)信息，來實時更新當(dāng)前操作界面對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

替換后的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，將某個（或某幾個）舊的HMI從原DP網(wǎng)絡(luò)中移除，作為備件。將新HMI TP700掛在新DP網(wǎng)絡(luò)下，其他完好的舊HMI依然保持原樣不動，可根據(jù)實際需求，靈活地選擇將要替換的HMI的數(shù)量。

圖2 替換后新系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

新方案只需布置一條Profibus總線，根據(jù)工位號或工位名稱，將新開發(fā)的HMI模板做相應(yīng)的名稱修改，并掛在新增的Profibus總線下即可。整個過程并不需要長周期停產(chǎn)，只需在項目改造、甚至平時停線時即可完成。不僅實施起來省時省力，而且由于HMI模板是自主開發(fā)，節(jié)省了大量的移植開發(fā)費用。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)介紹

2.3.1 代理PLC設(shè)置

將Siemens Portal軟件下的HMI程序與Siemens STEP7軟件下的PLC程序進(jìn)行關(guān)聯(lián)，需要在Portal中設(shè)置代理PLC。傳統(tǒng)方式為：將第三方提供的GSD文件，在STEP7 Hardware Configuration中進(jìn)行組態(tài)。步驟如下：

（1）在Portal中組態(tài)HMI TP700后，添加代理PLC，如圖3所示。

圖3 代理PLC的添加

（2）將代理PLC與Step7中的目標(biāo)PLC程序相關(guān)聯(lián)。

2.3.2 編譯畫面腳本

將頻繁出現(xiàn)的畫面做成模板，例如滾床畫面。同一類滾床調(diào)用同一模板，用畫面號來區(qū)分，并在Portal VB腳本中將畫面號、模板號與PLC數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。這樣做的優(yōu)點是減少重復(fù)勞動，大大節(jié)省了編程時間，而且擴展性極強，產(chǎn)線改造項目如新增同類工位，只需設(shè)置畫面號即可。

2.3.3 STEP7 STL語言的運用

Siemens S7系列PLC將指令表稱為語句表，即STL語言。它是一種與微機的匯編語言指令相似的助記符表達(dá)式，類似于機器碼。

為方便編程，語句表已進(jìn)行了擴展，還包括一些高層語言結(jié)構(gòu)（如結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的訪問和塊參數(shù)等）。語句表比較適合熟悉PLC和邏輯程序設(shè)計的程序員，語句表可以實現(xiàn)某些不能用梯形圖或功能塊實現(xiàn)的功能。

3 運行狀況

經(jīng)過離線編程、在線仿真、實驗室測試、現(xiàn)場測試等過程后，對畫面不斷進(jìn)行優(yōu)化，最終開發(fā)出畫面模板，如圖4所示。

圖4 新畫面模板主畫面

新的HMI畫面支持中英文兩種語言切換，包括急停、區(qū)域、設(shè)備、故障、聯(lián)鎖、數(shù)據(jù)讀寫、系統(tǒng)設(shè)定等畫面。與原HMI畫面相比，新HMI畫面在設(shè)計時，可以根據(jù)數(shù)據(jù)重要性的不同，設(shè)置不同的通訊周期，這將大大降低通訊負(fù)荷，進(jìn)而優(yōu)化了CPU的占用率，縮短了CPU的掃描周期。新舊HMI畫面的對比如下面組圖5，新畫面不論清晰度還是畫面流暢程度都有較好的表現(xiàn)。

圖5 滾床狀態(tài)、數(shù)據(jù)讀取狀態(tài)、區(qū)域狀態(tài)

4 結(jié)語

4.1 關(guān)于產(chǎn)品及選型

自動化產(chǎn)品越來越多樣化、智能化、模塊化，但從功能角度來說，都可實現(xiàn)某一類的功能要求。但各個自動化元器件生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品，卻有所不同。需要從電壓等級、通訊方式、可擴展性、站點數(shù)量限制，甚至產(chǎn)品更新?lián)Q代的可持續(xù)性等角度進(jìn)行選型。尤其是一些重要的核心自動化元件如PLC、HMI、變頻器、電機等，應(yīng)充分考慮與其他自動化元件的兼容、協(xié)調(diào)程度。這也給電氣控制工程師提出了越來越高的要求。

4.2 關(guān)于設(shè)計和測試

實踐是檢驗真理的標(biāo)準(zhǔn)。搭建一個自動化系統(tǒng)，不僅要求設(shè)計工程師經(jīng)驗豐富，還要求經(jīng)過實際的測試?，F(xiàn)場復(fù)雜的工況、大量的設(shè)備，一旦組合在一起，可能會出現(xiàn)一些在實驗室無法測試出的問題。

4.3 關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)和備件

標(biāo)準(zhǔn)可以縮短設(shè)計周期，避免重復(fù)勞動，大大降低人工出錯的概率，直接降低成本。自動化項目設(shè)計、實施時應(yīng)盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)及備件的統(tǒng)一。