仿真軟件S7-PLCSIM在磨床數(shù)控化改造中的應(yīng)用

王君輝，尹 敏

(西北軸承股份有限公司，銀川 750021)

大型立式磨床ROPC 200主要承擔(dān)直徑1.5 m以上大型軸承套圈的研磨工作，經(jīng)過(guò)多年使用，機(jī)床的電氣元件嚴(yán)重老化，故障率增高，研磨精度降低，已影響到正常的使用。因此，需對(duì)該機(jī)床的電氣系統(tǒng)進(jìn)行全面的數(shù)控化改造。改造后的電氣系統(tǒng)采用840D數(shù)控單元配以S7-300 PLC進(jìn)行控制。

PLC作為數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，對(duì)機(jī)床動(dòng)作的可靠執(zhí)行起著至關(guān)重要的作用。PLC的用戶(hù)程序在編制過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)一些缺陷和錯(cuò)誤，尤其是對(duì)于那些比較復(fù)雜的控制任務(wù)，因此，用戶(hù)程序在設(shè)計(jì)好之后一般都需要進(jìn)行調(diào)試、修改。通常情況下，調(diào)試工作直接在硬件PLC中進(jìn)行，但有時(shí)程序設(shè)計(jì)好之后，硬件PLC尚未購(gòu)買(mǎi)或控制設(shè)備不在本地，這就對(duì)程序的調(diào)試和修改帶來(lái)不便。而且在實(shí)際的硬件系統(tǒng)中進(jìn)行程序調(diào)試具有較大的風(fēng)險(xiǎn)，PLC的某個(gè)錯(cuò)誤輸出信號(hào)可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)損事故甚至危及工作人員的人身安全。因此，如果能夠在沒(méi)有PLC硬件的條件下就可以對(duì)PLC用戶(hù)程序進(jìn)行仿真調(diào)試，將起到事半功倍的效果。

對(duì)于S7-300/400 PLC來(lái)說(shuō)，S7-PLCSIM軟件能夠?qū)崿F(xiàn)在計(jì)算機(jī)上代替硬件來(lái)仿真和調(diào)試用戶(hù)程序。與傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法相比較，用S7-PLCSIM軟件在計(jì)算機(jī)上仿真具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 可進(jìn)行不依賴(lài)于硬件的程序測(cè)試與調(diào)試；(2) 在程序開(kāi)發(fā)階段消除大部分錯(cuò)誤；(3) 降低開(kāi)發(fā)成本，加速開(kāi)發(fā)進(jìn)程，提高程序質(zhì)量。

1 S7-PLCSIM概述

1.1 主要組成部分

1.1.1 仿真窗口

圖1 S7-PLCSIM仿真窗口

1.1.2 視圖對(duì)象

S7-PLCSIM用仿真PLC來(lái)模擬實(shí)際PLC的運(yùn)行，所有用戶(hù)程序的調(diào)試都是通過(guò)視圖對(duì)象來(lái)進(jìn)行的。S7-PLCSIM提供了多種視圖對(duì)象，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真PLC內(nèi)的各種變量、計(jì)數(shù)器和定時(shí)器的監(jiān)視與修改。

S7-PLCSIM的視圖對(duì)象包括CPU、輸入變量、輸出變量、位存儲(chǔ)器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、通用變量和垂直位變量等多種視圖對(duì)象。其中，CPU視圖對(duì)象是在打開(kāi)S7-PLCSIM窗口時(shí)自動(dòng)形成，其他視圖對(duì)象要在仿真PLC窗口中通過(guò)“Insert”菜單生成。通過(guò)視圖對(duì)象可以對(duì)PLC的輸入、輸出映像區(qū)和內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)的狀態(tài)進(jìn)行模擬與監(jiān)視。在插入的視圖對(duì)象中輸入存儲(chǔ)區(qū)地址，即可顯示存儲(chǔ)區(qū)地址及存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)狀態(tài)，可選的數(shù)據(jù)顯示格式有位、二進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制、BCD碼、整數(shù)、實(shí)數(shù)等。

圖1中標(biāo)有“CPU”的小窗口是CPU視圖對(duì)象。在CPU視圖對(duì)象中，可以用單選框選擇仿真PLC的運(yùn)行(RUN)、停止(STOP)和RUN-P模式，分別由指示燈指示。在RUN模式和RUN-P模式下CPU均能運(yùn)行用戶(hù)程序，兩者區(qū)別在于：在RUN-P模式下可以下載和修改程序，而在RUN模式下則不能；某些監(jiān)控操作只能在RUN-P模式下進(jìn)行。點(diǎn)擊CPU視圖對(duì)象上MRES(存儲(chǔ)器復(fù)位)按鈕可以復(fù)位仿真PLC的存儲(chǔ)器，刪除程序塊與系統(tǒng)數(shù)據(jù)，復(fù)位之后CPU將自動(dòng)進(jìn)入STOP模式；指示燈“SF”亮表示有硬件、軟件錯(cuò)誤；“DP”指示燈則用于表示PLC與遠(yuǎn)程I/O或者分布式外設(shè)的通信狀態(tài)；“DC”指示燈用來(lái)表示電源的通/斷情況。用菜單“PLC”中的命令可以接通或斷開(kāi)仿真PLC的電源。

1.1.3 LAY文件和PLC文件

用S7-PLCSIM仿真時(shí)會(huì)自動(dòng)生成LAY和PLC兩種格式的文件，退出仿真軟件時(shí)將會(huì)詢(xún)問(wèn)是否保存LAY文件或PLC文件。LAY文件用于保存仿真時(shí)各視圖對(duì)象的信息，例如各視圖對(duì)象選擇的數(shù)據(jù)格式等；PLC文件用于保存上次仿真運(yùn)行時(shí)設(shè)置的數(shù)據(jù)和動(dòng)作等，包括程序、硬件組態(tài)、CPU工作方式的選擇、運(yùn)行周期模式(單周期或連續(xù)運(yùn)行模式)的選擇、I/O狀態(tài)、定時(shí)器的值、符號(hào)地址、電源的通/斷等。

1.2 主要功能

(1)可對(duì)S7-300和S7-400 PLC的用戶(hù)程序進(jìn)行離線仿真與調(diào)試，可訪問(wèn)模擬PLC的I/O存儲(chǔ)器、累加器和寄存器。通過(guò)在仿真運(yùn)行窗口中改變輸入變量的ON/OFF狀態(tài)來(lái)控制程序的運(yùn)行，并觀察有關(guān)輸出變量的狀態(tài)來(lái)監(jiān)視程序運(yùn)行的結(jié)果。

(2)可實(shí)現(xiàn)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器的監(jiān)視和修改，通過(guò)程序使定時(shí)器自動(dòng)運(yùn)行或手動(dòng)復(fù)位。

(3)可模擬對(duì)位存儲(chǔ)器、外圍輸入變量區(qū)和外圍輸出變量區(qū)的操作，以及對(duì)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)(如DBl.DBX0.0或DBl.DBW0等)的讀寫(xiě)。

(4)可在仿真PLC中使用中斷組織塊測(cè)試程序的特性，并記錄一系列操作事件及回放記錄，從而自動(dòng)測(cè)試程序。

S7-PLCSIM可以模擬一個(gè)S7控制器，并且在仿真時(shí)可以使用表1中的資源。另外還具有對(duì)大部分組織塊、系統(tǒng)功能塊和系統(tǒng)功能的仿真功能。

表1 S7-PLCSIM在仿真時(shí)可以使用的存儲(chǔ)區(qū)域

1.3 調(diào)試程序的一般步驟

(2) 在菜單“PLC”中選擇“MPI Address”，設(shè)置準(zhǔn)備模擬的PLC的地址。

(3) 在SIMATIC Manager中將準(zhǔn)備模擬的用戶(hù)程序下載到仿真的PLC中(操作與在實(shí)際PLC上的操作一樣)。

(4) 在S7-PLCSIM窗口的“Execute”菜單中選擇“Scan Mode”(掃描模式)，選擇“Continuous Scan”(連續(xù)掃描方式)，并將CPU工作方式選為“RUN-P”。

(5) 在“Insert”菜單中選擇插入相應(yīng)的輸入變量、輸出變量或定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等，即圖中CPU窗口以外的窗口。通過(guò)改變這些變量的值，便可觀察PLC程序在這些量變化后的運(yùn)行情況。

此時(shí)，仍可用STEP 7中的變量監(jiān)控或程序塊在線監(jiān)視等功能來(lái)測(cè)試PLC程序，也可查看當(dāng)前CPU的狀態(tài)(掃描時(shí)間、存儲(chǔ)空間等)，操作方法與實(shí)際PLC的操作相同。

1.4 相關(guān)設(shè)置

1.4.1 掃描方式

S7-PLCSIM可以用兩種方式執(zhí)行仿真程序：

(1)單次掃描。每次掃描包括讀外設(shè)輸入、執(zhí)行程序和將結(jié)果寫(xiě)到外設(shè)輸出。CPU執(zhí)行一次掃描后處于等待狀態(tài)，可以用菜單命令“Execute”→“Next Scan”執(zhí)行下一次掃描。通過(guò)單次掃描可以觀察每次掃描后各變量的變化。

(2)連續(xù)掃描。這種運(yùn)行方式與實(shí)際的CPU執(zhí)行用戶(hù)程序相同，CPU執(zhí)行一次掃描后又開(kāi)始下一次掃描。

1.4.2 符號(hào)地址

為了在仿真軟件中使用符號(hào)地址，執(zhí)行菜單命令“Tools” →“Options”→“Attach Symbols…”，在出現(xiàn)的“Open”對(duì)話框中打開(kāi)當(dāng)前的項(xiàng)目，找到并雙擊符號(hào)表“Symbols”圖標(biāo)。執(zhí)行菜單命令“Tools”→“ Options”→“Show Symbols”，可以顯示或隱藏符號(hào)地址。垂直位視圖對(duì)象可以顯示每一位的符號(hào)地址，其他視圖對(duì)象在地址區(qū)顯示符號(hào)。

2 主軸電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制仿真

以ROPC 200磨床的主軸電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制為例，來(lái)說(shuō)明使用S7-PLCSIM軟件進(jìn)行仿真的方法。主軸電動(dòng)機(jī)控制要求為：按下啟動(dòng)按鈕，主軸電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)自動(dòng)升速到700 r/min，并保持不變；按下停止按鈕，主軸電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。使用S7-PLCSIM軟件調(diào)試程序的步驟如下：

(1)首先用STEP 7軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件組態(tài)，然后打開(kāi)已經(jīng)編好的用戶(hù)程序。啟動(dòng)按鈕為I4.0，主軸電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)輸出信號(hào)為Q12.0，停止按鈕為I4.1，程序如圖2所示。

圖2 仿真的用戶(hù)程序段

(2)在SIMATIC Manager的菜單“Option”中選擇“Simulating Modules”為ON狀態(tài)，表示選擇仿真調(diào)試。

(3)在S7-PLCSIM軟件中新建PLC文檔；選擇菜單命令“PLC” →“Power ON”打開(kāi)仿真PLC的電源；選擇仿真PLC的工作方式為STOP狀態(tài)；選擇菜單命令“Execute” →“Scan Mode” →“Scan Continuous”(連續(xù)掃描方式)。

(4)選擇菜單命令“PLC” →“Download”，把程序下載到仿真的CPU中。

(5)在S7-PLCSIM軟件中模擬實(shí)際操作。選擇仿真PLC的工作方式為RUN狀態(tài)，按下啟動(dòng)按鈕I4.0，主軸電動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)行，自動(dòng)升速，速度值送到MW20；選擇菜單命令“Debug” →“Monitor”，可以監(jiān)視STEP 7軟件中梯形圖程序的運(yùn)行情況，圖3為模擬實(shí)際升速過(guò)程。

圖3 實(shí)際升速過(guò)程

(6)在S7-PLCSIM軟件中模擬實(shí)際操作時(shí)，如果檢測(cè)到程序出錯(cuò)，會(huì)調(diào)用相應(yīng)錯(cuò)誤組織塊。S7-PLCSIM軟件支持對(duì)硬件中斷組織塊OB40～OB47的仿真；支持對(duì)時(shí)鐘中斷組織塊OB10～OB17的仿真；支持對(duì)掃描周期大于最大允許循環(huán)時(shí)間的中斷組織塊OB80的仿真。

(7)保存生成的PLC文檔，以便下次仿真時(shí)直接調(diào)用設(shè)置。

3 仿真PLC的特點(diǎn)

3.1 與實(shí)際PLC的區(qū)別

(1)PLCSIM不支持對(duì)功能模塊、通信和PID程序的仿真。

(2)不支持寫(xiě)到診斷緩沖區(qū)的錯(cuò)誤報(bào)文，例如不能對(duì)電池失電和EEPROM故障的仿真，但是可以對(duì)大多數(shù)I/O錯(cuò)誤和程序錯(cuò)誤進(jìn)行仿真。

(3)工作模式的改變(例如由RUN轉(zhuǎn)換STOP模式)不會(huì)使I/O進(jìn)入“安全”狀態(tài)。

(4)在某些情況下S7-400與只有兩個(gè)累加器的S7-300的程序運(yùn)行可能不同。

(5)大多數(shù)S7-300 CPU的I/O是自動(dòng)組態(tài)的，模塊插入物理控制器后被CPU自動(dòng)識(shí)別，而仿真PLC沒(méi)有這種自動(dòng)識(shí)別的功能。因此，在用S7-PLCSIM仿真S7-300程序時(shí)，如果想定義CPU支持的模塊，首先必須下載硬件組態(tài)。

3.2 仿真PLC特有的功能

(1)仿真的CPU中正在運(yùn)行時(shí)可以用“Stop”選項(xiàng)中斷程序，恢復(fù)“運(yùn)行”時(shí)是從程序中斷處開(kāi)始繼續(xù)處理程序，對(duì)程序狀態(tài)不會(huì)有什么影響。

(2)與真實(shí)的CPU一樣，仿真軟件可以改變CPU的操作模式(RUN，RUN-P和STOP)，但與實(shí)際CPU不同的是仿真的CPU切換到STOP模式并不會(huì)改變輸出的狀態(tài)。

(3)仿真軟件中在目標(biāo)視圖中變量的每個(gè)改變，其存儲(chǔ)區(qū)對(duì)應(yīng)相關(guān)地址的內(nèi)容會(huì)被同時(shí)更新，而實(shí)際的CPU要等到掃描結(jié)束時(shí)才會(huì)修改存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)。

(4)可以選擇單次掃描或者連續(xù)掃描。

(5)可以使定時(shí)器自動(dòng)運(yùn)行或手動(dòng)運(yùn)行，可以手動(dòng)復(fù)位全部定時(shí)器或復(fù)位指定的定時(shí)器。

4 結(jié)束語(yǔ)

仿真軟件S7-PLCSIM不需要硬件連接，使用方便、安全，雖然與具體的硬件PLC還有一定的區(qū)別，但不會(huì)影響對(duì)PLC用戶(hù)程序的測(cè)試。通過(guò)S7-PLCSIM對(duì)用戶(hù)程序進(jìn)行調(diào)試和故障診斷，可以在程序開(kāi)發(fā)階段發(fā)現(xiàn)和排除錯(cuò)誤，提高用戶(hù)程序的質(zhì)量；同時(shí)，S7-PLCSIM也是學(xué)習(xí)S7-300/400編程的有力工具。