面向对象编程方法在西门子TIA软件中的应用

摘" 要：目前西门子PLC占据主流市场，西门子TIA的编程软件作为西门子的主要编程工具，已被大众所熟悉。利用面向对象编程的方法，对程序进行标准化，可减少制造成本，提高企业的竞争力。该文通过对PLC编程中面向对象与面向过程编程的区别分析，探讨面向对象编程在西门子TIA软件中的具体应用，包括对象类的建立、封装与编程流程，以期为面向对象编程在PLC领域的广泛应用提供参考。

关键词：PLC；TIA；面向对象编程；西门子；软件应用

中图分类号：TP319" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：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

随着中国制造2025的推进，自动化生产需求不断增长。大型设备之间的协调生产以及客户的个性化定制，导致程序变得千变万化，制造成本不断上升。为应对这一挑战，采用面向对象的编程方法在西门子TIA软件上对PLC进行编程，可以显著减少编程和调试成本，提高企业的竞争力。本文将对PLC编程的主要分类进行讨论，重点分析面向对象编程在西门子TIA软件中的具体应用，旨在为自动化控制系统开发提供参考和启示，帮助企业更好地应对复杂的生产需求，提升整体效率和市场竞争力。

1" PLC编程分类

1.1" 面向过程编程

面向过程编程是一种以过程为中心的编程思想。在面向过程编程中，程序被看作是一系列函数的集合，通过依次调用这些函数来完成特定的任务。它强调的是解决问题的步骤和过程，把问题分解为一个个具体的步骤，每个步骤用一个函数来实现[1]。程序的执行严格按照函数的调用顺序进行，先执行哪个函数，后执行哪个函数，都有明确的规定。对于一些简单的、规模较小的程序，面向过程编程可以快速有效地实现功能。图1是典型的PLC自动化面向过程编程的流程图，是根据自动化设备的工艺过程进行编程，执行效率高，适用于小型独立的自动化产线。此方法不易于复制，一台设备一个程序，编程成本和调试成本较高。

1.2" 面向对象编程

面向对象编程是一种以对象为中心的编程范式，对象是对现实世界中具体事物的抽象表示。它既包含描述事物状态的属性，也包含对事物进行操作的方法[2]。对象具有独立性和封装性，其内部状态和行为被封装在一起，外部只能通过特定的接口进行访问。面向对象编程使得程序更加模块化、易于维护和扩展，被广泛应用于各种软件开发领域。图2是典型的PLC自动化面向对象的编程流程，把自动化产线内部分成一个个对象进行编程，适用于大型项目。当产线工艺或者设备改变时，只需要改变对象的数量就能满足要求。编程和调试成本较低。

1.3" 面向过程和面向对象编程方式的区别

面向过程编程和面向对象编程是2种不同的编程范式，它们在编程思路、代码结构、功能实现等方面存在显著差异。面向过程编程以“过程”或“功能”为中心，通过一系列的过程步骤逐步实现功能，主要依赖函数和子程序的调用来处理任务，这种编程方式强调的是操作顺序，将编程序视为一系列按顺序执行的命令。在面向过程编程中，数据和功能是分开的，函数操作数据，但数据本身没有保护机制。因此，数据可以被任意函数访问和修改，容易导致程序维护困难，特别是在大型系统中，随着系统的复杂度增加，代码的可读性和可维护性下降。相比之下，面向对象编程是以“对象”为中心，注重通过对象组织代码，强调数据与操作数据的方法相结合的一种编程方法。面向对象编程的核心概念有类、对象、封装、传承和多态等。类是面向对象编程中的基本构建块，它既对数据进行封装，也包含了操作这些数据的方法。对象为表现现实世界中实体的类例[3]。面向对象编程有效地保护了数据的完整性，避免了不必要的外部访问，通过将数据和操作数据的方法封装在一起。两者的不同之处不仅在于代码的组织方式上，在编程思路上，代码的组织方式也有不同之处。面向过程编程比较适合解决简单的问题，它的代码结构比较简单，但是函数之间的相互依存性在处理复杂的系统时就会变得不好管理。而面向对象编程则透过对象与类的概念，透过类与类之间的传承与多态机制，将系统分解成几个只专注于自身功能与资料的独立模块，以达到复用与扩充代码的目的，以提升系统的可维护性与弹性[4]。

2" 西门子TIA软件

2.1" 西门子TIA软件介绍

西门子全集成自动化软件（Totally Integrated Automation Portal，TIA）是西门子集团推出的一款具有重要意义的软件平台。TIA编程采用了统一的工程组态和软件项目环境，几乎适用于所有自动化任务，意味着用户可以在一个集成的开发环境中完成对西门子全集成自动化中所涉及的所有自动化和驱动产品的组态、编程和调试，包括用于SIMATIC控制器的软件以及用于人机界面和过程可视化应用的软件等。例如，无论是PLC（可编程逻辑控制器）的程式设计，还是HMI（人机界面）的画面设计，都能在不需要切换不同软体的TIA程式中完成，开发效率大幅提升。TIA编程的优势与传统自动化软件相比十分明显。传统自动化软件完成不同的任务通常需要使用多个不同的软件包，如PLC编程、硬件设计、驱动调试等，而这些软件之间的数据交互与整合往往复杂，容易出现数据不一致、沟通不畅等问题[5]。TIA编程则在一个统一的平台上集成了这些功能，在简化工程流程、提高效率的同时，也确保了数据的连贯性以及沟通的可靠性。TIA编程具有更大的优势，包括用户界面设计、功能模块的丰富程度以及对新技术的支持，更符合现代自动化工程的发展需求。

2.2" 西门子TIA软件的优势

西门子TIA软件是一套全面集成的自动化解决方案，具有多项显著优势：①全集成工作环境使得工程师可以在同一平台上完成从设计到调试的全部工作，大大减少了不同软件之间的切换和数据传输的复杂性，提高了工作效率；②多语言编程支持，包括梯形图（Ladder Diagram）、结构化文本（Structured Text）、功能块图（Function Block Diagram）等，满足不同工程师的编程习惯和项目需求，增强了编程的灵活性和适应性；③优化的工作流程，直观的操作界面，即使是新手也能迅速上手，减少了培训费用，使得项目的执行速度和效率有了明显的提高；④兼容性和稳定性，专为现代计算环境设计的西门子TIA软件，支持Windows 10及以上（64位）操作系统，在减少系统故障和停机时间的情况下，保证在各种环境下稳定运行；⑤丰富的功能与库，TIA软件提供大量支持运动控制、安全技术、能源管理等快速实现复杂功能的预定义功能与库，缩短开发周期；⑥具备强大的诊断与维护功能，TIA软件内置了能够帮助工程师快速定位并解决问题的先进诊断工具，使系统的可靠性和维护效率得以提高；⑦高度的可扩展性，能够适应不同规模和复杂程度的自动化需求，保证企业长期发展和投资回报的TIA软件支持从小到大项目的无缝扩展[6]。

3" 面向对象编程在西门子TIA软件中的应用

3.1" 面向对象编程标准化的好处

面向对象编程（OOP）在西门子TIA软件中的标准化应用带来了显著的好处：①大大提高了代码的重用性。减少重复编码的工作量，提高开发效率，将功能和数据封装在类内，可以方便地将这些类在不同的项目和模块中重复使用。举例来说，一个用于控制电动机的类，不需要重新编写相同的代码，就可以直接在多个项目中使用。②模块化设计，使编码结构更清晰，维护起来也更简便。每个对象负责特定的功能，这种松耦合的设计可以让代码更容易理解和修改，并降低维护成本，通过接口来与其他对象进行交互。例如，当某项功能需要更新时，只需对相关类别进行修改即可，无须对整个程序进行改动。③增强的可扩展性，让系统适应变化变得更简单。当新功能或对现有功能进行修改时，只需在不影响其他部分代码的情况下对相应类别进行添加或修改，而这种灵活性尤其适用于对市场需求和技术变化做出快速反应的大型和复杂自动化项目。④提高代码质量，提高代码可靠性。面向对象编程的封装和继承特性有助于降低代码错误，增强代码的坚固性。封装能够隐藏物体内部的实现细节，防止外部的直接访问和修改，从而减少潜在的bug。继承则允许子类继承父类的属性和方法，使冗余代码得以减少，代码的一致性和可靠性得以提高。⑤简化团队配合。模块化、标准化的面向对象编程特性，让团队成员的协作效率更高。每个人都可以把精力集中在自己负责的类或模块上，这样就减少了代码的冲突，也减少了交流的费用[7]。

3.2" 对象类的建立

PLC面向对象编程中，一个自动化设备或者一种自动化工艺都可以作为一个对象。每一个对象建立一个FB功能块，对象的程序包含手动功能、自动功能、复位功能、数据处理和报警信息。整个对象就是一个独立的子程序，子程序的编程可以使用面向过程编程的方法。

3.3" 对象封装

对象封装需要把程序中对象的所有控制方法都封装在一个FB功能块中。功能块对外只有数据的接口，从而保证对象的增减对于整个设备框架来说，无任何的影响。对象封装的对外数据有：输入数据、输出数据、报警数据、HMI数据和通用数据。输入数据是对象控制过程中接受到外部的硬件输入信号；输出数据是对象控制过程中对外输出的控制硬件的输出信号；报警数据是对外输出运行过程中的故障信息；HMI数据是人机交换之间的数据；通用数据是用于和其他对象之间的信号交换的信号结合。图3为典型的对象封装FB功能块，不同项目相同的对象可以随意调用。

3.4" TIA软件的编程流程

以TIA V17软件（以下称为“软件”）为例，整个编程流程如下：

1）整个控制流程分为若干个对象，定义每一个对象的输入数据、输出数据、报警数据、HMI数据和通用数据。

2）根据定义的对象数据，在软件中选择 “PLC数据类型”，添加相关的数据类型。

3）根据对象定义的相关数据类型，新建全局数据块，分别为输入数据块DB_Input、输出数据块DB_Output、报警数据块DB_Alarm、HMI数据块DB_HMI和通用数据块DB_Gf。

4）新建输入输出FC功能块程序，即PRG_Input和PRG_Output，在这2个程序中把PLC实际物理的输入输出链接到输入数据块DB_Input、输出数据块DB_Output中。

5）编写每一个独立的对象FB功能块，定义好功能块的输入、输出、报警、HMI和通用数据。

6）新建FC功能块，调用对象FB功能块，链接全局数据到各个对象FB功能块中。

7）在MAIN程序块中，调用所有FC的功能块。

3.5" 面向对象编程在TIA编程中的操作方法

面向对象编程（OOP）在TIA中的应用，要求开发者按照特定的步骤和方法来实现类的定义、对象的创建、方法调用和属性管理。

在TIA Portal中，类的创建是OOP的第一步。打开TIA Portal：启动TIA Portal并打开项目。在项目树中选择“PLC程序”，点击右键，选择“添加新区块（Add New Block）”。选择“功能区块”作为区块类型，设定区块名称，例如FB_Conveyor。在功能块中，添加输入（Input）和输出（Output）变量，以及内部私有变量。例如，定义传送带的速度（Speed）、长度（Length）和状态（Status）作为属性。在“网络（Network）”部分编写程序逻辑，实现该类的功能。例如，编写控制传送带的启动、停止及速度调节的逻辑。

类定义完成后，需要实例化对象。打开TIA Portal的程序编辑器，选择主程序块（Main Program Block）或创建一个新的组织块（OB）。在程序块中，通过调用刚才创建的功能块（如FB_Conveyor）来实例化对象。例如，在“Main OB”中调用FB_Conveyor，创建一个名为Conveyor_Inst1的对象。为每个对象分配一个数据块（DB），保存对象的具体状态和属性值。例如，创建名为DB_Conveyor_Inst1的数据块来存储第一个传送带对象的实例数据。

封装是OOP的核心概念是通过控制对象属性的访问和修改来实现的。在TIA Portal中，打开功能块的定义页面，在“变量表（Variable Table）”中，可以设置变量的访问权限。将变量设置为“Public（公有）”或“Private（私有）”。例如，传送带的速度属性可以设置为“Public”，允许外部程序修改其值；而内部的计数器状态可以设置为“Private”，防止外部程序意外更改计数器的状态。

在OOP中，方法是类的行为定义。在功能块内部定义方法。例如，在传送带的类中，可以编写一个“Start Conveyor”的方法，实现启动传送带的逻辑。在程序中的某个位置调用实例的某个方法。例如，通过调用Conveyor_Inst1.Start（）来启动第一个传送带对象。

在面向对象编程的过程中，调试是必不可少的环节。编译并下载程序到PLC。然后进入在线模式，监控对象的数据块，查看每个实例的属性是否按预期变化。通过观察方法调用的实际执行情况，验证功能块是否按设计逻辑执行。例如，当启动传送带时，相关状态是否正确变化。如果程序出现问题，可以通过TIA的调试工具逐步跟踪对象的方法调用和属性变化，找出潜在的逻辑错误并加以修正。

4" 结束语

面向对象编程（OOP）方法引入西门子TIA软件，有效控制了PLC编程的复杂性，提供了代码复用性和模块化管理能力，增强了程序的可维护性和扩展性。在PLC项目中，通过面向对象的方式组织控制逻辑，使系统结构和行为更加直观。OOP标准化了程序模块，通过继承、封装和多态特性提高了系统的灵活性，减少了代码重复，降低了编程错误率，提升了项目的可靠性。随着工业4.0和智能制造的发展，OOP将在复杂控制系统、智能工厂和工业物联网中发挥更重要的作用，从而进一步提升自动化系统的效率和智能化水平。

参考文献：

[1] 丁国明.PLC控制程序设计方法与技巧[J].信息通信，2019（9）：281-283.

[2] 张博，王志信.模块化编程思想在PLC系统中的应用[J].化工自动化及仪表，2013，40（3）：416-418.

[3] 李睿.1500PLC在空调暖通系统中的应用[J].电气传动自动化，2024，46（3）：11-13.

[4] 王陈.浅析西门子tia博途v15工程软件平台的应用及使用技巧[J].数码设计（上），2021，10（5）：334-335.

[5] 张国旭，高乐美，邢向宇，等.SINAMICS Startdrive V16功能在TIA博途的应用[J].锻压装备与制造技术，2023，58（5）：106-110.

[6] 辛运帷，秦晓东.RSA公开密钥算法在面向对象编程方法下的实现[J].计算机工程与应用，2002，38（13）：138-140，

[7] 王超，王新萍，王会娥，等.浅谈面向对象编程方法中模块化的运用[J].硅谷，2011（9）：160-161.