基于人機(jī)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(diǎn)，已成為工業(yè)控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制中Ⅲ。然而，PLC控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和調(diào)試，還需要仰仗實(shí)物模型進(jìn)行模擬試驗(yàn)，這種方法效率低、成本高、不安全。同時(shí)，PLC控制系統(tǒng)還需要許多的輸入、輸出點(diǎn)來支持，這也是一般實(shí)物模型或模擬軟件所不能達(dá)到的。如果要想達(dá)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(jī)界面，它的特點(diǎn)是可以隨心所欲地設(shè)計(jì)各種用來模擬靜止的、運(yùn)動(dòng)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(shí)器、計(jì)數(shù)器等供用戶使用。所以，開發(fā)人員借助于人機(jī)界面能方便、快捷地為PLC控制系統(tǒng)建立一個(gè)仿真模型，以驗(yàn)證、調(diào)試所開發(fā)的程序。

1、PLC的仿真實(shí)現(xiàn)

PLC是PLC控制系統(tǒng)的核心，所以實(shí)現(xiàn)PLC仿真是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)仿真的關(guān)鍵。而實(shí)現(xiàn)PLC仿真的實(shí)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(yùn)行起來。

為了實(shí)現(xiàn)以上要求，選用了人機(jī)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(jì)可以用來模擬現(xiàn)場的各種設(shè)備，并即時(shí)顯示設(shè)備的運(yùn)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(qiáng)大的巨集指令應(yīng)用方式，使人機(jī)界面得以經(jīng)由內(nèi)部巨集指令功能執(zhí)行數(shù)值運(yùn)算、邏輯判斷、流程控制、數(shù)值傳送、數(shù)值轉(zhuǎn)換、計(jì)時(shí)器、計(jì)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(yùn)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(jī)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(shí)別問題，也就實(shí)現(xiàn)了對PLC的仿真。

2、對外部設(shè)備的仿真實(shí)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(dòng)機(jī)、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(shí)現(xiàn)

主令器形式多樣，如交替型、保持型、復(fù)位型、數(shù)值輸入型按鈕等。人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)起來較為方便，只需用人機(jī)界面的編輯軟件畫出按鈕，如圖2，然后在按鈕屬性中確認(rèn)是何種類型按鈕即可，如圖1的功能欄。在仿真時(shí)，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(shí)現(xiàn)

執(zhí)行件在真實(shí)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(fù)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(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)與不運(yùn)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(fù)件，如氣缸、絲杠等。下面以開合件指示燈為例，說明實(shí)現(xiàn)執(zhí)行件仿真的方法。在仿真界面上，畫一個(gè)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(shí)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(fù)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(fù)傳感器用來檢測往復(fù)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(gè)由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠傳動(dòng)控制系統(tǒng)，絲杠兩端是光電式位置行程開關(guān)，要求運(yùn)動(dòng)平臺(tái)既可手動(dòng)控制也可自動(dòng)控制。在自動(dòng)控制方式下，啟動(dòng)后運(yùn)行平臺(tái)先向甲地運(yùn)行，到達(dá)甲地后自動(dòng)返回乙地，如此循環(huán)。在手動(dòng)控制方式下，可在甲地或乙地啟動(dòng)到達(dá)目的地停車，必須手動(dòng)再次啟動(dòng)，方可繼續(xù)運(yùn)行，并可實(shí)現(xiàn)緊急停車控制腳。

模擬X6、X7光電開關(guān)可以用人機(jī)界面編輯軟件，編制一個(gè)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(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定位置(預(yù)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(yùn)動(dòng)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(dòng)一氣缸，由氣缸推動(dòng)對象A，再由A推動(dòng)對象B。那么，要使對象B運(yùn)動(dòng)，不僅要求直接受PLC控制的氣缸有相對運(yùn)動(dòng)，而且還要求對象A要在適當(dāng)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(dòng)液壓回路、機(jī)械結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，有時(shí)比較復(fù)雜。但人機(jī)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(gè)子程序來反映它們復(fù)雜的邏輯關(guān)系，這樣能比較準(zhǔn)確的替代外部設(shè)備之間的邏輯關(guān)系，以達(dá)到模擬效果。

4、仿真系統(tǒng)的總體框架

圖7是整個(gè)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(yùn)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(jìn)行處理，并把最終結(jié)果輸給執(zhí)行件運(yùn)算模塊；
(3)執(zhí)行件運(yùn)算模塊根據(jù)輸入指令來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行件動(dòng)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(yùn)算模塊來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行件。對于執(zhí)行件和傳感器運(yùn)算模塊都有手動(dòng)輸入的功能，這是為人為設(shè)置故障準(zhǔn)備的。

圖8是根據(jù)仿真系統(tǒng)的總體框圖編制的人機(jī)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(shí)PLC的工作特點(diǎn)。

圖8 框圖程序的運(yùn)行過程

5、應(yīng)用實(shí)例

應(yīng)用本文所介紹的PLC控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)，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(diǎn)l4個(gè)，程序總長196句。為該系統(tǒng)在人機(jī)界面上建立的仿真模型編寫了2個(gè)子程序。該系統(tǒng)雖不算太復(fù)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(jī)界面的編輯軟件還可以對仿真模型進(jìn)行多次離線、在線模擬，能檢驗(yàn)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和可靠性