数字化工厂实践:工控系统与PLC编程的集成化与标准化

集成自动化套件为控制系统编程人员提供了标准化管理多个自动化项目的工具，使之可以在整个企业范围内创建一致的操作体验。

在当今高科技设备领域，工业设备和机器的功能比以往任何时候都多，这样就会造成从机器到机器、工厂到工厂的一致性问题，这对最终用户的运行体验至关重要， 而编程软件可以在这方面提供帮助。 如果无法做到一致，就很难掌握诸多复杂系统接口的细微差别，从而导致运行故障和计划外停机，甚至发生安全事故。

可编程逻辑控制器 (PLC) 和人机界面 (HMI) 的程序员，在保持操作员对系统的熟悉程度以减少不利结果方面发挥着关键作用。通过在整个工厂车间和整个企业的机器上实施一致的代码和接口，它们使设备更易于操作，且更易于故障排除。

在过去，程序管理几乎完全是手动的，所以程序员必须保持高度警惕，以保持机器与机器之间的程序一致性。然而， 内置了标准代码库的现代集成自动化软件包，正在简化这一过程 ，尤其是在系统诊断和报警生成领域，为程序员提供了标准化和改善运行人员体验所需要的工具。

标准化机器操作程序

实现运行和维护一致性的过程，需要标准化和规划。制造商意识到， 从工程到部署实施的各阶段，都需要对程序进行标准化，但实施起来通常都很困难。

为了帮助组织应对这一挑战，现代集成自动化软件包使机器制造商和最终用户，能够实现机器运营程序的标准化并保持一致。标准化简化了业务和技术流程管理，并使运行人员能够安全地实现生产目标。

在项目生命周期的初期， 将机械、电气和自动化工程整合在一起， 对于取得有效成果也至关重要。集成自动化软件包支持不同专业并行开展工作，以提供相应的功能（图1）。不仅减少了总的调试时间，同时通过跨专业质量检查以提高产品质量，还可以通过数字模拟来进行虚拟调试和其它任务。

▎ 图 1 ：标准化可并行开展工作和多个工程学科的集成，从而提高开发速度，提高质量。

 实现自动化标准化的软件工具

在复杂的环境中，明智地使用正确的工具是整个标准化的关键。使用合适的软件，用户可以将电气和机械图纸直接导入和导出到自动化软件包中，以自动更新系统控制，并保持所有工程专业设计的一致性（图2）。这也节省了协调工作所花费的时间，并加快了调试速度。

▎ 图 2 ：工程团队可以通过 Siemens 的 TIA Portal Openness API 中的 AutomationML 导入和导出 CAD 和 XML 文件，无缝协调自动化项目。

集成自动化软件包使程序员能够开发和维护标准的自动化程序库，并在硬件组件与其软件指令集之间建立直接的联系（图 3）。

▎ 图 3 ：现代集成自动化软件包， 例如 Siemens 的 TIA  Portal，使用库实现 PLC 和 HMI 自动化对象的标准化和版本化，这些包可以自动生成和测试自动化项目配置。

一些自动化对象是内置在软件套件中的，并经过预先验证，从而减少了测试和故障排除的时间。开发人员也可以创建新的对象，然后通过虚拟调试或数字孪生模拟测试其功能。

所有的自动化对象都可以在一个项目或多个项目中重复使用 ，从而减少开发时间，并可以确保使用特定硬件时，其功能保持一致。通过配置和适当的连接，还可以将自动化项目配置为基于主库执行自动对象更新。这在开发和运营体验过程中创造了一致性，从而节省了解决复杂问题所需的时间，并提升了产品的质量。

集成的自动化软件包提供的另一个工具，可以帮助程序员自动生成 PLC 代码和简单的 HMI 布局，包括数据视图和仪表板配置。这使得程序开发更可靠，同时为最终用户提供操作程序和可视化组件，以便监控生产效率。

 规划自动化程序架构

规划的质量既可以成就项目，也可以拖累项目。PLC 编程也是如此。在开始编程的时候必须做出决定，以确保未来的标准化（图4）。

▎ 图 4 ：创建和使用自动化对象库的过程。通过使用驻留在硬件配置工具中的 TIA  Portal 自 动 系 统诊断和报警生成工具，OEM 将编程时间减少了 30%，并在 HMI 上为用户增加了故障排除功能。

第一个重要主题是可读性。 开发人员必须为标签标识符和企业范围的资产标识术语定义 一个方案，以保持设备的有序性。

开发人员还必须考虑编程和设备维护要求，然后创建库 ，以用户友好的方式进行版本控制，并提供设备模板，以帮助运行和维护人员解决现场问题。编程语言也应该在这个阶段确定。梯形图、功能块、结构化文本 (ST) 和顺序功能图 (SFC)，在代码创建、扩展和故障排除等方面各有优缺点，在编程时可以使用这些语言中的一种或多种。

一旦确定了编程基础，开发人员接下来必须定义人机交互界面 ，包括 HMI 图形、报警 以及历史数据可视化和分析。这里也是定义设备间通信方案，以在工厂车间周围传输数据的 地方。

开发人员必须制定自动化对象复用计划 ，确保实现对象的模块化，可以无缝在多个程序中应用。良好的标准化实践还需要在此阶段进行全面的文档记录，以便随着时间的推 移标准库仍具有价值，并在人员流动时确保不变。

 系统诊断 ：自动化库标准化的基准

编程标准必须能够有效地处理系统诊断。这是指示 PLC 和联网设备的控制系统运行状况的通用指标。当基本设备和设备功能因通信故障、模块故障、电源和安全等问题而出现故障时，这些指示灯会通知运行人员。

尽管板载部件出现问题时，大多数联网设备都能自动提醒用户，但在更大的自动化系统中，将这些问题转换为报警通常需要额外的手动工作。

在工厂或整个企业中连接多台机器和设备时，确保统一的系统诊断和报警管理，对于高效运行至关重要。然而，通常情况下，在机器与机器之间，并没有对这些基本方面进行一致的处理，从而造成误解、延迟和计划外停机。

这种一致性的缺乏，通常是工程和编程标准化的缺陷造成的 。一台机器可以使用特定的联锁检查方案和标记基本故障的方法，但另一台机器可能使用不同的方法。仔细规划和编程，可以在多台机器上实施一致的机器诊断和报警。

为了保持机器之间的一致性，集成自动化软件包会根据硬件配置，自动生成系统诊断和报警方案，从而减少耗时且容易出错的程序声明。通过云，在 PLC、HMI、边缘设备、工厂工作站、网络服务器和远程会话之间，提供一致的报警读数。

借助集成的自动化软件包自动生成报警，从而能够快速识别错误并显示带有位置和原因的故障消息。

由于这些诊断是自动而不是手动编程实现的，因此硬件配置的更改，会自动更新整个互联企业的系统诊断基础设施。在整个企业中一致地处理系统诊断，为所有编程标准化奠定了基础。

 大幅节省编程时间

一家电锯原始设备制造商 (OEM)，通过对来自自动化供应商的 PLC、HMI 和驱动器进行标准化，将开发和运营置于一个集成自动化软件包之下，从而改进了其生产系统并增强了全球客户服务业务。在硬件配置工具中，使用自动系统诊断和报警生成， OEM 厂商将编程时间减少了30% 。除了自动化硬件的内在可靠性之外，还能通过 HMI 为最终用户提供深入的故障排除。

使用集成的系统诊断视图，最终用户可以自助解决许多问题，当问题上报给 OEM 厂商时，HMI 可以清晰的显示系统报警情况，从而可以更快地解决最终用户的问题。这会减少最终用户的停机时间并减少对 OEM 支持的需求。

由于有了中央自动化对象库，程序员更易于进行版本控制。当更新代码块时，开发人员可以根据所用的自动化对象版本，轻松识别哪些项目包含更新，哪些不包含，然后就可以自动更新所有现有实例。

 集成自动化和标准化的优势

在对自动化系统进行编程时，最佳实践要求在深入研究代码之前，仔细考虑应用和所需的结果。通过这种审查，标准化可以改善项目开发和运营的生命周期。为制造商提供标准化的集成自动化软件包的优势包括 ：

1、软件对用户更透明，简化开发工作。

2、提高软件质量，改善可靠性和可维护性。

3、由于自动化程序使用全厂范围的程序组件，在调试之前经过验证，因此可以显著减少错误。

4、服务和维护费用减少。

5、简化诊断和故障排除。

6、培训要求最小化。

7、机器之间的数据交换简单且定义明确。

8、文档可管理，并且明确定义了自动化组件的行为。

9、PLC 从一个集中管理的对象库中创建程序，不同机器的编程保持一致。

10、整个工厂的 HMI 使用一致的图形、符号和术语，这样可以改善操作员的体验。

机器制造商和集成商可以通过标准化自动化程序库来帮助他们的最终客户。使用集成的自动化软件包，意味着开发人员可以减少为低级设备诊断和报警创建解决方案的时间。这为通过跨专业优化工作，改善操作员体验和改进机器功能提供了更多机会。

来源：智能制造之家