基于人機界面的PLC控制系統(tǒng)的仿真研究

基于人機界面的PLC控制系統(tǒng)的仿真研究
PLC具有結(jié)構(gòu)簡單、通用性好、編程方便、柔性好、可靠性高等優(yōu)點，已成為工業(yè)控制的標準設(shè)備，應(yīng)用于工業(yè)自動控制中Ⅲ。然而，PLC控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計、驗證和調(diào)試，還需要仰仗實物模型進行模擬試驗，這種方法效率低、成本高、不安全。同時，PLC控制系統(tǒng)還需要許多的輸入、輸出點來支持，這也是一般實物模型或模擬軟件所不能達到的。如果要想達到仿真的目的，可以利用在工業(yè)控制中經(jīng)常使用的人機界面，它的特點是可以隨心所欲地設(shè)計各種用來模擬靜止的、運動的輸入、輸出設(shè)備；可以畫出所想要的場景；并且它還提供寄存器、可編子程序集、定時器、計數(shù)器等供用戶使用。所以，開發(fā)人員借助于人機界面能方便、快捷地為PLC控制系統(tǒng)建立一個仿真模型，以驗證、調(diào)試所開發(fā)的程序。

1、PLC的仿真實現(xiàn)

PLC是PLC控制系統(tǒng)的核心，所以實現(xiàn)PLC仿真是實現(xiàn)整個系統(tǒng)仿真的關(guān)鍵。而實現(xiàn)PLC仿真的實質(zhì)，是使某種設(shè)備能模仿PLC控制系統(tǒng)中除PLC以外的所有輸入、輸出設(shè)備，而且這些設(shè)備能根據(jù)用戶程序(如梯形圖程序)運行起來。

為了實現(xiàn)以上要求，選用了人機界面作為模擬設(shè)備。它有豐富的輸入、輸出指示器，經(jīng)設(shè)計可以用來模擬現(xiàn)場的各種設(shè)備，并即時顯示設(shè)備的運行狀態(tài)；它模擬的主令控制器件可以直接在觸摸屏上操作；它還具有龐大的內(nèi)部寄存器和功能強大的巨集指令應(yīng)用方式，使人機界面得以經(jīng)由內(nèi)部巨集指令功能執(zhí)行數(shù)值運算、邏輯判斷、流程控制、數(shù)值傳送、數(shù)值轉(zhuǎn)換、計時器、計數(shù)器等，還可以模擬更智能化的控制設(shè)備的需求；另外，它的運行方式與PLC相類似，采用循環(huán)掃描方式；更為重要的是，PLC和人機界面之間的寄存器數(shù)據(jù)可以直接讀取，如圖1的變量欄。這樣就很好地解決了用戶程序的輸入和識別問題，也就實現(xiàn)了對PLC的仿真。

2、對外部設(shè)備的仿真實現(xiàn)

外部設(shè)備可以分成三類：一類是主令器，如按鈕、開關(guān)等；一類是執(zhí)行件，如各種指示燈、氣缸、電動機、電磁鐵等；還有一類是傳感器，如各種行程開關(guān)、接近開關(guān)等。

2.1 主令器的仿真實現(xiàn)

主令器形式多樣，如交替型、保持型、復位型、數(shù)值輸入型按鈕等。人機界面實現(xiàn)起來較為方便，只需用人機界面的編輯軟件畫出按鈕，如圖2，然后在按鈕屬性中確認是何種類型按鈕即可，如圖1的功能欄。在仿真時，只要直接對其屏幕按壓，來操作按鈕。

圖1 元件屬性圖圖2按鈕圖

2.2 執(zhí)行件的仿真實現(xiàn)

執(zhí)行件在真實系統(tǒng)中也是多種多樣的，為了便于仿真，把它們分成開合件和往復件兩類。開合件是指行程短、速度快、非此即彼的執(zhí)行件，如指示燈的亮與不亮，電動機運轉(zhuǎn)與不運轉(zhuǎn)；而把相對行程長、速度慢、在行程~9 n--I停留的執(zhí)行件歸并為往復件，如氣缸、絲杠等。下面以開合件指示燈為例，說明實現(xiàn)執(zhí)行件仿真的方法。在仿真界面上，畫一個如圖3的指示燈，在如圖4的指示燈屬性中將變量的讀取改寫為PLC地址，直接受PLC的控制。

2.3 傳感器的仿真實現(xiàn)

和執(zhí)行件相對應(yīng)，傳感器也分成開合傳感器和往復傳感器兩類。開合傳感器用來判斷開合件的開合狀態(tài)；往復傳感器用來檢測往復件是否處在某一位置。這里，以一開合傳感器為例，說明傳感器仿真的方法。

圖3 指示燈圖圖4 指示燈屬性框圖

如圖5所示是一個由步進電動機驅(qū)動的滾珠絲杠傳動控制系統(tǒng)，絲杠兩端是光電式位置行程開關(guān)，要求運動平臺既可手動控制也可自動控制。在自動控制方式下，啟動后運行平臺先向甲地運行，到達甲地后自動返回乙地，如此循環(huán)。在手動控制方式下，可在甲地或乙地啟動到達目的地停車，必須手動再次啟動，方可繼續(xù)運行，并可實現(xiàn)緊急停車控制腳。

模擬X6、X7光電開關(guān)可以用人機界面編輯軟件，編制一個子程序如圖6，能根據(jù)執(zhí)行件的代碼在執(zhí)行狀態(tài)變量中讀取被測執(zhí)行件的狀態(tài)(數(shù)據(jù))。當?shù)竭_預定位置(預定數(shù)值)，輸出結(jié)果給PLC的輸入端子和傳感器的指示燈。

圖5 一維位置控制示意圖圖6 子程序

3、外部設(shè)備之間關(guān)系的處理

對于PLC控制系統(tǒng)中的某設(shè)備來說，它的運動不僅僅取決于PLC的指令，還取決于它和其它設(shè)備之間的關(guān)系。比如說，PLC中指令驅(qū)動一氣缸，由氣缸推動對象A，再由A推動對象B。那么，要使對象B運動，不僅要求直接受PLC控制的氣缸有相對運動，而且還要求對象A要在適當位置。這就是所謂的外部邏輯關(guān)系。這些關(guān)系可能是由外圍電氣、氣動液壓回路、機械結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，有時比較復雜。但人機界面編輯軟件內(nèi)部具有豐富巨集指令，可以模擬各種外部邏輯關(guān)系，用戶還可根據(jù)自己的要求編制若干個子程序來反映它們復雜的邏輯關(guān)系，這樣能比較準確的替代外部設(shè)備之間的邏輯關(guān)系，以達到模擬效果。

4、仿真系統(tǒng)的總體框架

圖7是整個仿真系統(tǒng)的總體框架，其工作過程是：

圖7 仿真系統(tǒng)的總體框圖

(1) 由傳感器運算模塊來讀取執(zhí)行件狀態(tài)變量，經(jīng)處理后把檢測結(jié)果存入代表虛擬PLC輸入端子的PLC狀態(tài)變量；
(2)用戶的梯形圖程序根據(jù)PLC狀態(tài)變量和主令器控件的狀態(tài)進行處理，并把最終結(jié)果輸給執(zhí)行件運算模塊；
(3)執(zhí)行件運算模塊根據(jù)輸入指令來驅(qū)動執(zhí)行件動作，并根據(jù)執(zhí)行件的狀態(tài)刷新執(zhí)行件狀態(tài)變量；
(4)有些執(zhí)行件要根據(jù)其它執(zhí)行件的狀態(tài)，經(jīng)外部邏輯關(guān)系處理后，再由執(zhí)行件運算模塊來驅(qū)動執(zhí)行件。對于執(zhí)行件和傳感器運算模塊都有手動輸入的功能，這是為人為設(shè)置故障準備的。

圖8是根據(jù)仿真系統(tǒng)的總體框圖編制的人機界面程序的流程圖。仿真程序的總體結(jié)構(gòu)采用了掃描的工作方式，這符合真實PLC的工作特點。

圖8 框圖程序的運行過程

5、應(yīng)用實例

應(yīng)用本文所介紹的PLC控制系統(tǒng)仿真平臺，為一維位置控制建立了仿真模型如圖5。使用了PLC的輸入、輸出點l4個，程序總長196句。為該系統(tǒng)在人機界面上建立的仿真模型編寫了2個子程序。該系統(tǒng)雖不算太復雜，但各種環(huán)節(jié)都已俱全(如主令器、執(zhí)行件和傳感器等)，能反映出仿真一般控制系統(tǒng)的基本規(guī)律。另外，利用人機界面的編輯軟件還可以對仿真模型進行多次離線、在線模擬，能檢驗該系統(tǒng)設(shè)計的正確性和可靠性