膠印機(jī)PLC與HMI信號接口的框架研究

陳賢國， 陳格云， 顧佳琪， 李明華

（上海光華印刷機(jī)械有限公司，上海200436）

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一種集控制、操作和監(jiān)控功能于一體的綜合工業(yè)控制器。它以其自身所具有的模塊化結(jié)構(gòu)、智能化功能和運(yùn)行可靠等特點(diǎn)在工廠自動化（Factory Automation，F(xiàn)A）的整個(gè)控制過程中引領(lǐng)先進(jìn)的控制技術(shù)。PLC的優(yōu)點(diǎn)在于“可”字：從軟件上講，它的程序可編，也不難編；從硬件上講，它的配置可變且也易變［1］。

集智能化、信息化、人性化友好操作于一體的人機(jī)界面（Human Machine Interface，HMI）是系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介。作為操作和監(jiān)控的上位機(jī)，可以完成PLC與操作者之間友好的交互，負(fù)責(zé)用戶的操作輸入、設(shè)備的參數(shù)設(shè)定與修改以及在線實(shí)時(shí)監(jiān)控等［2］，是一種使用戶使用方便、提高效率、維護(hù)方便以及服務(wù)增值等自動控制最佳解決方案之一。

基于PLC和HMI組合的控制系統(tǒng)已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于多色印刷機(jī)等工業(yè)領(lǐng)域。印刷機(jī)作為一種精度較高的機(jī)械設(shè)備，其智能化的控制、傻瓜式的操作是未來發(fā)展的總趨勢。對于自動化控制系統(tǒng)而言，硬件是基礎(chǔ)，軟件是靈魂。在了解了被控對象的控制要求之后才能進(jìn)行整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與編程［3］。

PLC和HMI兩個(gè)用戶程序需要各自獨(dú)立編制，在編寫各自的控制程序過程中，PLC與HMI之間需要建立彼此信息的交互應(yīng)答，這種用于信息交互的媒體稱為信號接口［4］。以往PLC和HMI的信號接口地址一般沒有明確的約定，在編寫控制程序的過程中，每個(gè)信號接口往往需要臨時(shí)約定而沒有規(guī)律可循，使得編程的效率大大降低，不利于用戶對程序的解讀與理解，更不利于用戶對產(chǎn)品的使用與維護(hù)。

為此，將印刷機(jī)控制／采集信號大致分為輸紙、色組和收紙3大部分。本文分析研究了PLC與HMI之間準(zhǔn)確而又有效的信息交互所需接口信號內(nèi)容，對其在PLC存放的存儲器地址進(jìn)行了有規(guī)律可循、合理而有效地分配并明確定義，為PLC和HMI用戶控制程序的模塊化編制、提高編程效率創(chuàng)造了有利條件。產(chǎn)品控制程序編制不僅僅使編程者理解就夠了，更主要的目的是能方便用戶解讀與理解，只有這樣才有利于用戶對產(chǎn)品的使用與維護(hù)。

在編寫程序過程中，使用已明確規(guī)定的信號接口地址時(shí)還須注意理解這些已被定義的地址具有方向性。正確理解接口信號的方向性對編制控制程序十分重要。

以富士PLC高性能CPU（NP1PS－32）和具有可編程操作顯示器（Programmable Operation Display，POD）的HMI在單張紙印刷機(jī)上的應(yīng)用為例，對其信號接口框架進(jìn)行了研究，并規(guī)定信號接口地址變量名的命名規(guī)則。

1 信號接口地址分配

富士PLC高性能CPU存儲器區(qū)域容量分配如表1所示。

用于系統(tǒng)內(nèi)部使用的輔助繼電器在直接尋址的模式下以“%M□1…”的形式表示在存儲器中的地址。用X，W或D替換□，其中X的數(shù)據(jù)類型為位，W的數(shù)據(jù)類型為字，D的數(shù)據(jù)類型為雙字。

表1 富士PLC高性能CPU存儲器容量分配表

對于高性能CPU標(biāo)準(zhǔn)存儲區(qū)的大小可以調(diào)整，但用戶存儲區(qū)總的字?jǐn)?shù)是不變的。由表1可知，標(biāo)準(zhǔn)存儲區(qū)的首地址開始2K個(gè)字是CPU數(shù)據(jù)訪問的高速處理區(qū)，其大小固定不變?？紤]到NP1P－74和NP1P－117兩款高性能CPU存儲器容量都包含了NP1PS－32，根據(jù)NP1PS－32高性能CPU每個(gè)存儲區(qū)定義的默認(rèn)容量以及通常對印刷機(jī)所要求處理的信號，對PLC與HMI信息交互的接口信號進(jìn)行了分類，并對信號接口地址進(jìn)行了有規(guī)律可循的分配。這樣，高性能CPU（NP1PS－32）的接口信號地址同時(shí)可以滿足另兩款不同的高性能CPU，接口信號地址的大致分配范圍如表2所示。在表2中：

表2 接口信號地址分配

（1）高速處理區(qū)分別處理色彩控制器HMI軟控鍵、本機(jī)HMI軟控鍵以及HMI可讀取PLC所使用的輔助繼電器狀態(tài)信號。其中，色彩控制器是屬于膠印機(jī)印前關(guān)鍵設(shè)備之一，一般其可以直接參與對膠印機(jī)的電機(jī)調(diào)整與監(jiān)控。表中“＊”可以取0～9。保持存儲器在失電后存儲的數(shù)據(jù)由系統(tǒng)內(nèi)部電池保持而不被丟失，再通電后仍保持原來的數(shù)據(jù)；而非保持存儲器在失電后存儲的數(shù)據(jù)會丟失，再通電后數(shù)據(jù)清為零。

（2）在保持存儲器的地址%MW3.1＊00～%MW3.1＊99中“＊”表示膠印機(jī)的色組號1～8。每個(gè)色組分別被分配存儲區(qū)100個(gè)字，即%MW3.1100～%MW3.1199對應(yīng)第1色組的數(shù)據(jù)存儲區(qū)。對每個(gè)色組而言，盡管通過HMI寫入數(shù)據(jù)的存儲器地址是不同的，但在編寫或解讀程序時(shí)確能比較有規(guī)律可循。保持存儲器%MW3.1000～%MW3.1099和%MW3.2＊00～%MW3.2＊99暫未定義，考慮用于雙面膠印機(jī)另一面所要讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)的存儲地址。

（3）保持存儲器的地址%MW3.4000～%MW 3.4095主要用于HMI設(shè)備對機(jī)器特定的數(shù)據(jù)設(shè)定與修改。只有印刷機(jī)制造商才有權(quán)限通過HMI進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)定，如重要數(shù)據(jù)的修改（浮點(diǎn)數(shù)）、模塊化程序的調(diào)用（位）以及對程序的加密（整數(shù)）等。

2 接口信號定義

基于PLC和HMI的印刷機(jī)控制系統(tǒng)的交互信號主要分為飛達(dá)、收紙、色組和HMI設(shè)備4部分。接口信號的交互形式分類可分為2種，即HMI讀取PLC信號狀態(tài)、存儲區(qū)數(shù)據(jù)的接口信號，HMI軟控鍵按鈕信號和寫入PLC存儲區(qū)數(shù)據(jù)的接口信號。

根據(jù)所控制對象需要HMI軟控鍵信號狀態(tài)一般分為瞬時(shí)和保持2種。瞬時(shí)的軟控鍵接口信號定義在高速存儲區(qū)，保證該瞬時(shí)信號的響應(yīng)時(shí)間。保持的軟控鍵接口信號利用保持存儲器的特點(diǎn)直接定義在保持存儲區(qū)。

部分HMI軟控鍵信號接口、HMI讀取數(shù)據(jù)的信號接口以及HMI寫入數(shù)據(jù)的信號接口的內(nèi)容定義分別如表3～5所示。

表3 HMI軟控鍵信號接口（HMI→PLC）

表4 HMI讀取數(shù)據(jù)信號接口（PLC→HMI）

表4～5中△表義定義內(nèi)容略，內(nèi)容定義中沒有對%MW3.0000～%MW3.0099中的位“0”作定義，隨后的位就可以同時(shí)表示相應(yīng)色組的位信號接口，有規(guī)律可循便于對PLC／HMI控制程序的編制和解讀。

3 信號接口地址命名

絕對地址是用來區(qū)分信號，表明事先給信號分配1個(gè)在系統(tǒng)存儲區(qū)域中特定的存儲位置，以便CPU能訪問在存儲區(qū)域中的信號［1］。

表5 HMI寫入數(shù)據(jù)信號接口（HMI→PLC）

給絕對地址賦予一個(gè)有含義的變量名（富士PLC）稱為變量地址。變量可以分為全局變量（共享）和局域變量兩種。全局變量表示在整個(gè)用戶程序中是有效的，而且是惟一的；局域變量僅僅表示在程序結(jié)構(gòu)單元（Program Organic Unit，POU）這個(gè)程序中有效，且惟一。而在不同的POU程序中可以有相同的局域變量名；因此，在整個(gè)用戶程序中不是惟一的。

注釋就是給予地址或變量更進(jìn)一步的詳細(xì)描述，在程序中不是惟一的。

根據(jù)富士PLC程序中地址顯示的特點(diǎn)，給PLC／HMI用戶程序中信號地址賦予的變量名命名進(jìn)行了約定。

（1）數(shù)字／模擬輸入輸出變量名命名規(guī)定

① 數(shù)字量輸入變量名命名

② 數(shù)字量輸出變量名命名

③ 模擬量輸入變量名命名

④ 模擬量輸出變量名命名

（2）存儲器地址變量名命名規(guī)定

①HMI→PLC位接口信號地址變量名

②HMI←PLC位接口信號地址變量名

③HMI→PLC寫入數(shù)據(jù)存儲器地址變量名

④HMI←PLC讀取存儲器地址變量名命名

4 結(jié) 語

本文對基于PLC和HMI的膠印機(jī)控制系統(tǒng)信號接口的框架進(jìn)行了研究，初步完成了膠印機(jī)PLC和HMI交互的接口信號分類以及對信號接口地址進(jìn)行了有規(guī)律可循的分配，為以后的實(shí)際編程應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。今后，還有待在實(shí)際應(yīng)用過程中不斷趨于合理與完善。對膠印機(jī)控制系統(tǒng)信號接口的框架研究將有助于擴(kuò)展應(yīng)用到其他不同的可編程控制系統(tǒng)，盡管其CPU的存儲器容量、范圍會有所不同。同時(shí)，將對其研究的想法、思路與同行共享，有助于推動未來自動化印刷柔性控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

［1］陳賢國.數(shù)控機(jī)床PLC編程［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2010：3.

［2］薛迎成.PLC與觸摸屏控制技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2008：41.

［3］關(guān)玉明，王 歡，肖艷春，等.PLC在印刷機(jī)間隙調(diào)整控制系統(tǒng)中應(yīng)用［J］.微計(jì)算機(jī)信息（測控自動化），2008，24（10－1）：6－7.

［4］王 剛.數(shù)控機(jī)床調(diào)試、使用與維護(hù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：22.