Промислові контролери Siemens SIMATIC вже понад 30 років залишаються еталоном надійності та функціональності в сфері автоматизації виробництва. Від невеликих проектів до складних розподілених систем управління, контролери Siemens забезпечують високу продуктивність та гнучкість у вирішенні найрізноманітніших технологічних завдань.

Історія розвитку та сучасний стан

Компанія Siemens почала розробку програмованих логічних контролерів (ПЛК) у 1980-х роках, створивши серію SIMATIC, яка швидко здобула визнання завдяки інноваційним рішенням та надійності. Сьогодні лінійка SIMATIC включає контролери від базових моделей S7-1200 до потужних систем S7-1500 та розподілених контролерів для складних промислових комплексів.

Ключовою віхою в розвитку стало створення інтегрованого середовища розробки TIA Portal (Totally Integrated Automation), яке об'єднало всі інструменти для програмування, конфігурування та діагностики в єдиному інтерфейсі.

Лінійка контролерів SIMATIC

SIMATIC S7-1200

Базовий контролер, призначений для невеликих та середніх проектів автоматизації. Підтримує до 1275 входів/виходів, має вбудовані інтерфейси Ethernet та може працювати з панелями оператора HMI.

SIMATIC S7-1500

Високопродуктивний контролер для складних завдань автоматизації. Забезпечує швидке виконання програм, підтримує технології безпеки Safety та має розширені можливості діагностики.

SIMATIC S7-300/400

Перевірені часом контролери, що все ще широко використовуються в промисловості. Програмуються за допомогою STEP 7 Classic або можуть бути мігровані до TIA Portal.

TIA Portal: сучасне середовище розробки

TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) представляє собою революційний підхід до розробки систем автоматизації. Це інтегроване середовище об'єднує:

• STEP 7 - програмування ПЛК
• WinCC - створення HMI та SCADA систем
• SINAMICS StartDrive - конфігурування частотних перетворювачів
• SIMOCODE ES - налаштування захисту двигунів
• SIMOTION SCOUT TIA - програмування систем управління рухом

Які переваги надає TIA Portal:

Єдиний інтерфейс користувача дозволяє працювати з усіма компонентами системи автоматизації без переключення між різними програмами.

Інтегрована база даних проекту забезпечує цілісність даних та автоматичну синхронізацію між різними частинами проекту.

Покращена діагностика включає інтегровані інструменти для моніторингу та усунення несправностей в реальному часі.

Підтримка колективної роботи через Multiuser Engineering дозволяє кільком інженерам працювати над одним проектом одночасно.

Мови програмування ПЛК Siemens

Контролери Siemens підтримують кілька мов програмування відповідно до стандарту IEC 61131-3, що дозволяє обирати найкращий інструмент для конкретного завдання.

LAD (Ladder Diagram) - Релейно-контактна логіка

LAD є найпоширенішою мовою програмування ПЛК, особливо серед спеціалістів з електричного обладнання. Програма представляється у вигляді схеми, що нагадує електричні схеми з реле та контактами.

Переваги LAD:

• Інтуїтивно зрозуміла для електриків
• Легка для навчання та розуміння
• Відмінно підходить для дискретної логіки
• Зручна для простих послідовностей управління

Застосування:

• Управління конвеєрами
• Системи сигналізації та безпеки
• Базова логіка включення/виключення обладнання

FBD (Function Block Diagram) - Функціональні блоки

FBD використовує графічні блоки для представлення функцій та їх взаємозв'язків. Особливо ефективна для складних алгоритмів управління та обробки аналогових сигналів.

Переваги FBD:

• Наочне представлення потоку даних
• Легка модифікація та масштабування
• Підходить для математичних обчислень
• Хороша читабельність складних алгоритмів

Застосування:

• ПІД-регулятори
• Системи управління температурою
• Обробка аналогових сигналів

STL (Statement List) - Список інструкцій

STL є низькорівневою мовою, що нагадує асемблер. Забезпечує максимальний контроль над виконанням програми та дозволяє реалізувати функції, недоступні в графічних мовах.

Переваги STL:

• Максимальна гнучкість
• Компактний код
• Можливість непрямої адресації
• Високa швидкість виконання

Застосування:

• Оптимізація критичних за часом ділянок
• Складні математичні операції
• Робота з масивами даних

SCL (Structured Control Language) - Структурована мова

SCL є високорівневою текстовою мовою, подібною до Pascal або C. Ідеально підходить для складних алгоритмів, обробки даних та математичних обчислень.

Переваги SCL:

• Знайомий синтаксис для програмістів
• Підтримка складних структур даних
• Легка читабельність та підтримка коду
• Ефективна для алгоритмічних завдань

Застосування:

• Складні обчислення
• Обробка рецептів та технологічних параметрів
• Алгоритми машинного навчання
• Системи збору та аналізу даних

Приклади програм на мові SCL для контролерів Siemens

Приклад 1: Система управління температурою з ПІД-регулятором

FUNCTION_BLOCK "TemperatureControl"
{ S7_Optimized_Access := 'TRUE' }
VERSION : 0.1
   VAR_INPUT 
      SetPoint : Real;           // Задана температура (°C)
      ActualTemp : Real;         // Поточна температура (°C)
      ManualMode : Bool;         // Ручний режим
      ManualOutput : Real;       // Ручне завдання (%)
      Enable : Bool;             // Дозвіл роботи
   END_VAR

   VAR_OUTPUT 
      OutputValue : Real;        // Вихідний сигнал (0-100%)
      HeatingOn : Bool;          // Сигнал включення нагрівача
      AlarmHigh : Bool;          // Сигналізація перевищення температури
      AlarmLow : Bool;           // Сигналізація заниженої температури
   END_VAR

   VAR 
      PID : "PID_Compact";       // ПІД-регулятор
      Error : Real;              // Помилка регулювання
      FilteredTemp : Real;       // Фільтрована температура
      TempFilter : Real := 0.9;  // Коефіцієнт фільтра
   END_VAR

   VAR CONSTANT 
      MAX_TEMP : Real := 85.0;   // Максимальна температура
      MIN_TEMP : Real := 5.0;    // Мінімальна температура
      HEATING_THRESHOLD : Real := 50.0; // Поріг включення нагрівача
   END_VAR

BEGIN
   // Фільтрація температури для зменшення шумів
   FilteredTemp := FilteredTemp * TempFilter + ActualTemp * (1.0 - TempFilter);
   
   // Перевірка аварійних сигналів
   AlarmHigh := FilteredTemp > MAX_TEMP;
   AlarmLow := FilteredTemp < MIN_TEMP;
   
   // Обчислення помилки регулювання
   Error := SetPoint - FilteredTemp;
   
   IF Enable AND NOT AlarmHigh THEN
      IF ManualMode THEN
         // Ручний режим
         OutputValue := LIMIT(MN := 0.0, IN := ManualOutput, MX := 100.0);
      ELSE
         // Автоматичний режим з ПІД-регулятором
         PID.Input := FilteredTemp;
         PID.Setpoint := SetPoint;
         PID.ManualEnable := FALSE;
         PID.ManualValue := 0.0;
         
         // Виклик ПІД-регулятора
         PID();
         
         OutputValue := LIMIT(MN := 0.0, IN := PID.Output, MX := 100.0);
      END_IF;
   ELSE
      // Вимкнення при відсутності дозволу або аварії
      OutputValue := 0.0;
   END_IF;
   
   // Управління нагрівачем
   HeatingOn := (OutputValue > HEATING_THRESHOLD) AND Enable AND NOT AlarmHigh;
   
END_FUNCTION_BLOCK

Приклад 2: Система управління конвеєром з підрахунком виробів

FUNCTION_BLOCK "ConveyorControl"
{ S7_Optimized_Access := 'TRUE' }
VERSION : 0.1
   VAR_INPUT 
      StartButton : Bool;        // Кнопка пуск
      StopButton : Bool;         // Кнопка стоп
      EmergencyStop : Bool;      // Аварійний стоп
      ProductSensor : Bool;      // Датчик наявності виробу
      SpeedSetpoint : Real;      // Задана швидкість (м/хв)
   END_VAR

   VAR_OUTPUT 
      ConveyorRun : Bool;        // Команда пуску конвеєра
      SpeedOutput : Real;        // Вихідна швидкість
      ProductCount : DInt;       // Лічильник виробів
      RunningTime : Time;        // Час роботи
      Alarm : Bool;              // Загальна аварія
   END_VAR

   VAR 
      StartButtonOld : Bool;     // Попередній стан кнопки пуск
      ProductSensorOld : Bool;   // Попередній стан датчика
      RunTimer : TON;            // Таймер часу роботи
      StopTimer : TON;           // Таймер зупинки
      SystemState : Int;         // Стан системи (0-стоп, 1-пуск, 2-робота)
      LastProductTime : Time;    // Час останнього виробу
      ProductionRate : Real;     // Продуктивність (виробів/год)
   END_VAR

   VAR CONSTANT 
      MAX_SPEED : Real := 60.0;          // Максимальна швидкість м/хв
      MIN_SPEED : Real := 5.0;           // Мінімальна швидкість м/хв
      STOP_DELAY : Time := T#2S;         // Затримка зупинки
      PRODUCTION_CALC_TIME : Time := T#1H; // Період розрахунку продуктивності
   END_VAR

BEGIN
   // Обробка кнопок та аварійних сигналів
   IF EmergencyStop THEN
      SystemState := 0;  // Аварійний стоп
      Alarm := TRUE;
   ELSIF StopButton THEN
      SystemState := 0;  // Нормальний стоп
      Alarm := FALSE;
   ELSIF StartButton AND NOT StartButtonOld THEN
      IF SystemState = 0 THEN
         SystemState := 1;  // Запуск системи
         Alarm := FALSE;
      END_IF;
   END_IF;
   
   // Логіка роботи системи
   CASE SystemState OF
      0: // Стан СТОП
         ConveyorRun := FALSE;
         SpeedOutput := 0.0;
         RunTimer(IN := FALSE);
         
      1: // Стан ПУСК (розгін)
         StopTimer(IN := FALSE, PT := STOP_DELAY);
         IF NOT StopTimer.Q THEN
            ConveyorRun := TRUE;
            SpeedOutput := LIMIT(MN := MIN_SPEED, 
                                IN := SpeedSetpoint, 
                                MX := MAX_SPEED);
            SystemState := 2;  // Перехід до робочого стану
         END_IF;
         
      2: // Стан РОБОТА
         ConveyorRun := TRUE;
         SpeedOutput := LIMIT(MN := MIN_SPEED, 
                             IN := SpeedSetpoint, 
                             MX := MAX_SPEED);
         RunTimer(IN := TRUE);
         
   END_CASE;
   
   // Підрахунок виробів (по переднему фронту датчика)
   IF ProductSensor AND NOT ProductSensorOld THEN
      ProductCount := ProductCount + 1;
      LastProductTime := RunTimer.ET;
   END_IF;
   
   // Розрахунок продуктивності
   IF RunTimer.ET > T#0S THEN
      ProductionRate := DINT_TO_REAL(ProductCount) * 3600000.0 / 
                       TIME_TO_DINT(RunTimer.ET);  // виробів/годину
   END_IF;
   
   // Збереження попередніх значень
   StartButtonOld := StartButton;
   ProductSensorOld := ProductSensor;
   
   // Загальний час роботи
   RunningTime := RunTimer.ET;
   
END_FUNCTION_BLOCK

Приклад 3: Функція обробки рецептів виробництва

FUNCTION "ProcessRecipe" : Bool
{ S7_Optimized_Access := 'TRUE' }
VERSION : 0.1
   VAR_INPUT 
      RecipeNumber : Int;        // Номер рецепту (1-10)
      StartProcess : Bool;       // Запуск обробки рецепту
   END_VAR

   VAR_OUTPUT 
      Temperature : Real;        // Задана температура
      Pressure : Real;           // Заданий тиск
      MixingTime : Time;         // Час змішування
      RecipeValid : Bool;        // Рецепт валідний
   END_VAR

   VAR_TEMP 
      i : Int;                   // Лічильник циклу
      TempArray : Array[1..10] of Real; // Масив температур
      PressArray : Array[1..10] of Real; // Масив тисків
      TimeArray : Array[1..10] of Time;  // Масив часу
   END_VAR

BEGIN
   // Ініціалізація масивів рецептів
   TempArray[1] := 65.0;  PressArray[1] := 2.5;  TimeArray[1] := T#5M;
   TempArray[2] := 70.0;  PressArray[2] := 3.0;  TimeArray[2] := T#7M;
   TempArray[3] := 75.0;  PressArray[3] := 3.5;  TimeArray[3] := T#10M;
   TempArray[4] := 80.0;  PressArray[4] := 4.0;  TimeArray[4] := T#12M;
   TempArray[5] := 85.0;  PressArray[5] := 4.5;  TimeArray[5] := T#15M;
   TempArray[6] := 90.0;  PressArray[6] := 5.0;  TimeArray[6] := T#18M;
   TempArray[7] := 95.0;  PressArray[7] := 5.5;  TimeArray[7] := T#20M;
   TempArray[8] := 100.0; PressArray[8] := 6.0;  TimeArray[8] := T#25M;
   TempArray[9] := 105.0; PressArray[9] := 6.5;  TimeArray[9] := T#30M;
   TempArray[10] := 110.0; PressArray[10] := 7.0; TimeArray[10] := T#35M;
   
   // Перевірка валідності номера рецепту
   RecipeValid := (RecipeNumber >= 1) AND (RecipeNumber <= 10);
   
   IF StartProcess AND RecipeValid THEN
      // Завантаження параметрів рецепту
      Temperature := TempArray[RecipeNumber];
      Pressure := PressArray[RecipeNumber];
      MixingTime := TimeArray[RecipeNumber];
      
      ProcessRecipe := TRUE;  // Успішне завантаження рецепту
   ELSE
      ProcessRecipe := FALSE; // Помилка завантаження рецепту
   END_IF;
   
END_FUNCTION

Приклад 4: Діагностика та моніторинг системи

FUNCTION_BLOCK "SystemDiagnostics"
{ S7_Optimized_Access := 'TRUE' }
VERSION : 0.1
   VAR_INPUT 
      MotorCurrent : Real;       // Струм двигуна (А)
      Temperature : Real;        // Температура системи
      Vibration : Real;          // Вібрація
      Enable : Bool;             // Дозвіл діагностики
   END_VAR

   VAR_OUTPUT 
      MotorOK : Bool;           // Стан двигуна в нормі
      TempOK : Bool;            // Температура в нормі
      VibrationOK : Bool;       // Вібрація в нормі
      SystemHealthy : Bool;     // Загальний стан системи
      MaintenanceRequired : Bool; // Потреба в обслуговуванні
      AlarmCode : Int;          // Код аварії
   END_VAR

   VAR 
      AvgCurrent : Real;        // Середній струм
      MaxCurrent : Real;        // Максимальний струм
      CurrentSamples : Array[1..60] of Real; // Вибірка струму за хвилину
      SampleIndex : Int := 1;   // Індекс поточної вибірки
      SampleTimer : TON;        // Таймер вибірки
      RunTime : TON;            // Час роботи системи
   END_VAR

   VAR CONSTANT 
      NORMAL_CURRENT : Real := 5.0;      // Номінальний струм
      MAX_TEMP : Real := 70.0;           // Максимальна температура
      MAX_VIBRATION : Real := 2.0;       // Максимальна вібрація
      CURRENT_TOLERANCE : Real := 0.2;    // Допуск по струму
      MAINTENANCE_HOURS : Time := T#8760H; // 1 рік до ТО
   END_VAR

BEGIN
   IF Enable THEN
      // Таймер для збору вибірок струму кожну секунду
      SampleTimer(IN := TRUE, PT := T#1S);
      
      IF SampleTimer.Q THEN
         SampleTimer(IN := FALSE);
         
         // Збереження поточного значення струму
         CurrentSamples[SampleIndex] := MotorCurrent;
         SampleIndex := SampleIndex + 1;
         
         IF SampleIndex > 60 THEN
            SampleIndex := 1;
         END_IF;
         
         // Обчислення середнього та максимального струму
         AvgCurrent := 0.0;
         MaxCurrent := 0.0;
         
         FOR i := 1 TO 60 DO
            AvgCurrent := AvgCurrent + CurrentSamples[i];
            IF CurrentSamples[i] > MaxCurrent THEN
               MaxCurrent := CurrentSamples[i];
            END_IF;
         END_FOR;
         
         AvgCurrent := AvgCurrent / 60.0;
      END_IF;
      
      // Діагностика двигуна
      MotorOK := (AvgCurrent >= (NORMAL_CURRENT * (1.0 - CURRENT_TOLERANCE))) AND
                 (AvgCurrent <= (NORMAL_CURRENT * (1.0 + CURRENT_TOLERANCE))) AND
                 (MaxCurrent < (NORMAL_CURRENT * 1.5));
      
      // Діагностика температури
      TempOK := Temperature < MAX_TEMP;
      
      // Діагностика вібрації
      VibrationOK := Vibration < MAX_VIBRATION;
      
      // Загальний стан системи
      SystemHealthy := MotorOK AND TempOK AND VibrationOK;
      
      // Визначення коду аварії
      AlarmCode := 0;
      IF NOT MotorOK THEN
         AlarmCode := AlarmCode + 1;
      END_IF;
      
      IF NOT TempOK THEN
         AlarmCode := AlarmCode + 10;
      END_IF;
      
      IF NOT VibrationOK THEN
         AlarmCode := AlarmCode + 100;
      END_IF;
      
      // Таймер часу роботи
      RunTime(IN := SystemHealthy);
      
      // Перевірка необхідності технічного обслуговування
      MaintenanceRequired := RunTime.ET >= MAINTENANCE_HOURS;
      
   ELSE
      // Скидання при відключеній діагностиці
      MotorOK := FALSE;
      TempOK := FALSE;
      VibrationOK := FALSE;
      SystemHealthy := FALSE;
      AlarmCode := 999; // Код "діагностика відключена"
   END_IF;
   
END_FUNCTION_BLOCK

Пояснення прикладів:

Приклад 1 демонструє:

• Роботу з ПІД-регулятором
• Фільтрацію сигналів
• Обробку аварійних сигналів
• Перемикання між ручним та автоматичним режимами

Приклад 2 показує:

• Машину станів (State Machine)
• Обробку дискретних сигналів
• Підрахунок виробів та продуктивності
• Таймери та логіку затримок

Приклад 3 ілюструє:

• Роботу з масивами
• Обробку рецептів виробництва
• Валідацію вхідних даних
• Використання тимчасових змінних

Приклад 4 демонструє:

• Збір та аналіз діагностичних даних
• Статистичну обробку (середнє значення)
• Систему кодів аварій
• Моніторинг стану обладнання

Ці приклади показують переваги мови SCL для вирішення складних завдань автоматизації, які були б громіздкими для реалізації в LAD або FBD.

Практичні аспекти програмування

Правильна організація проекту критично важлива для успішної реалізації системи автоматизації:

1. Конфігурація обладнання

• Вибір та налаштування ЦП контролера
• Додавання модулів входів/виходів
• Конфігурування мережевих інтерфейсів

2. Програмні блоки

• Організаційні блоки (OB) - точки входу програми
• Функціональні блоки (FB) - блоки з пам'яттю екземпляра
• Функції (FC) - блоки без власної пам'яті
• Блоки даних (DB) - зберігання даних

3. Технологічні об'єкти

• ПІД-регулятори
• Лічильники та генератори імпульсів
• Об'єкти управління рухом

Програмування промислових контролерів Siemens - потужний інструмент для створення ефективних систем автоматизації. TIA Portal забезпечує інтегроване середовище розробки, а різноманітність мов програмування дозволяє обирати оптимальний підхід для кожного завдання.

Успішне освоєння цієї технології вимагає поєднання теоретичних знань з практичним досвідом, але результат виправдовує зусилля: можливість створювати надійні, ефективні та масштабовані системи промислової автоматизації.

Розвиток у напрямку Industry 4.0 та IIoT робить знання програмування ПЛК Siemens ще більш цінними та затребуваними на ринку праці. Інвестиції в навчання та розвиток навичок програмування контролерів Siemens є стратегічно важливими для інженерів автоматизації.