PLC測控系統(tǒng)下的計(jì)算機(jī)仿真平臺

馬守東， 馬 毓

(1. 南京工程高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 南京 211135； 2. 遼源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 遼源 136200)

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PLC測控系統(tǒng)下的計(jì)算機(jī)仿真平臺

馬守東1， 馬 毓2

(1. 南京工程高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 南京 211135； 2. 遼源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 遼源 136200)

本文通過對PLC測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行分析，掌握了其實(shí)際工作流程，之后以此為基礎(chǔ)對PLC的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)進(jìn)行了總體布置，并分別確定了其各部分的組成及功能。文章分別對仿真系統(tǒng)的PLC和電路搭建兩個(gè)部分的仿真實(shí)現(xiàn)作了較為詳細(xì)的論述。最后，文章就一個(gè)水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)為例進(jìn)行了仿真分析，并以仿真所得結(jié)果論證了仿真系統(tǒng)的有效性。本文所做的研究可以為相關(guān)理論分析和實(shí)際應(yīng)用提供參考。

PLC控制； 計(jì)算機(jī)仿真； 梯形圖程序； 用戶指令

0 引 言

自1969年研制出現(xiàn)至今，PLC在全球工業(yè)領(lǐng)域范圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。在取得積極成績的同時(shí)，在應(yīng)用過程中也出現(xiàn)了很多問題，這主要表現(xiàn)在：① 為使產(chǎn)品在實(shí)際現(xiàn)場的操作、運(yùn)行、維護(hù)、應(yīng)對突發(fā)情況等方面都表現(xiàn)出優(yōu)異性能，要求在PLC系統(tǒng)在調(diào)試階段通過多種模擬工況的檢測，但PLC的實(shí)際工作現(xiàn)場較為復(fù)雜，不僅造成安裝調(diào)試周期長、成本高，而且在為客戶展示系統(tǒng)運(yùn)行狀況的環(huán)節(jié)也多有不便；② 隨著PLC內(nèi)部程序趨于復(fù)雜和龐大，需要越來越多的編程人員參與進(jìn)來，這樣在程序的檢查、校驗(yàn)以及最終匯編環(huán)節(jié)極易產(chǎn)生混亂，影響協(xié)同設(shè)計(jì)、延緩開發(fā)周期[1]。

針對以上問題，本文擬設(shè)計(jì)一種行之有效的軟件系統(tǒng)，基于計(jì)算機(jī)平臺完成對PLC的設(shè)計(jì)、編程、實(shí)現(xiàn)、調(diào)試的整個(gè)環(huán)節(jié)的仿真模擬，以便經(jīng)濟(jì)、高效、安全地實(shí)現(xiàn)PLC系統(tǒng)開發(fā)。文章可以為相關(guān)的理論研究和實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 PLC系統(tǒng)分析

1.1 PLC的工作原理

PLC的硬件組成包括：CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口以及電源。PLC工作所呈現(xiàn)的一個(gè)最大特點(diǎn)就是“掃描式”，這主要是由CPU對操作的一一執(zhí)行特性所決定的，每一個(gè)經(jīng)過掃描的操作功能在解算完成后，其結(jié)果都可以被后續(xù)的掃描功能所利用。這種工作方式不僅簡單易操作，且易于編程和自查。

在實(shí)際進(jìn)行分析時(shí)，PLC的工作過程在一定程度上可以與梯形圖程序執(zhí)行過程(順次掃描輸入點(diǎn)狀態(tài)→解算控制邏輯→依次向?qū)?yīng)輸出點(diǎn)發(fā)出控制信號)對應(yīng)起來進(jìn)行理解，另外再加上每個(gè)掃描周期內(nèi)的故障自查和應(yīng)對處理以及與外部的通信等環(huán)節(jié)，大致可以分為以下5個(gè)環(huán)節(jié)[2]：

(1) 故障自查。PLC在每次“掃描”之前都要對其各個(gè)硬件總成進(jìn)行故障自查，一旦發(fā)現(xiàn)問題隨即轉(zhuǎn)入處理程序，保留現(xiàn)狀并停止輸出，停機(jī)并出示故障信息。

(2) 響應(yīng)處理。在系統(tǒng)自查完成無誤后，PLC便開始掃描通信接口，接收通信請求并響應(yīng)處理。例如在掃描編程器時(shí)，主機(jī)接收編程器的相關(guān)指令(運(yùn)行、停止、清內(nèi)存等)及參數(shù)修改進(jìn)行相應(yīng)操作，并將顯示狀態(tài)、數(shù)據(jù)參數(shù)、錯(cuò)誤代碼對編程器進(jìn)行相應(yīng)指示。

(3) 輸入。在完成以上工作后，PLC既開始掃描并讀入各個(gè)輸入點(diǎn)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)并形成內(nèi)存映象，該映像內(nèi)容維持一個(gè)掃描周期不變直至下一個(gè)周期輸入新的采樣，且將所存儲(chǔ)的映像作為解算用戶邏輯的輸入值。

(4) 執(zhí)行。PLC執(zhí)行用戶程序是根據(jù)存儲(chǔ)器地址由低到高的順序來進(jìn)行的(在無跳轉(zhuǎn)的情況下)，在對程序進(jìn)行解算的過程中所用到的定時(shí)器、內(nèi)部繼電器、計(jì)數(shù)器等采用存儲(chǔ)單元的即時(shí)值，而輸入、輸出繼電器則采用內(nèi)存映象值。

(5) 刷新。在掃描刷新的過程中，前一次的掃描解算結(jié)果會(huì)被后一次所替代，完成輸出刷新。各次解算所得的輸出信號會(huì)逐條存入輸出信號寄存表，全部解算完成后輸出信號被統(tǒng)一送至輸出模塊，完成程序?qū)?yīng)的動(dòng)作。PLC工作過程中的輸入、輸出處理流程如圖1所示。

本文所提出的仿真系統(tǒng)將以上述的PLC的工作原理為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2 PLC仿真系統(tǒng)總體布置

1.2.1 PLC仿真系統(tǒng)功能確定

PLC控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，本文在仿真軟件的設(shè)計(jì)時(shí)，著重以實(shí)現(xiàn)PLC內(nèi)部工作情況的說明以及外部電路的解釋作為工作重點(diǎn)，并選擇在國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的日本OMRON公司的開發(fā)生產(chǎn)的CPM系列產(chǎn)品中的CPM1A-30CDR作為仿真系統(tǒng)樣品。為了實(shí)現(xiàn)仿真的整體性、有效性，需在仿真軟件的功能設(shè)計(jì)過程中做到以下方面[3]：

圖1 PLC工作過程中的輸入、輸出處理流程

(1)全面、詳盡地完成對PLC 梯形圖程序的執(zhí)行指令說明，以提高仿真系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和適用的范圍；

(2)在仿真系統(tǒng)的兼容性以及元器件的模塊化等方面深入研究，使系統(tǒng)能夠?qū)Χ喾NPLC系統(tǒng)進(jìn)行模擬，并且有功能多樣的元器件便于用戶自由組合使用；

(3)系統(tǒng)在人機(jī)交互方面要做到操作簡單和界面友好，用戶可以方便地進(jìn)行梯形圖程序的編寫以及所需電路的搭建，另外系統(tǒng)要預(yù)留一定的擴(kuò)展接口，以便于功能的延伸和后續(xù)的開發(fā)。

1.2.2 PLC仿真系統(tǒng)組成

根據(jù)上述功能分析，本文將仿真系統(tǒng)分為PLC、電路以及控制系統(tǒng)3個(gè)部分，以下一一進(jìn)行說明[4]：

(1) PLC部分作為系統(tǒng)核心，主要提供給用戶編程界面、編程元件(包括觸點(diǎn)、線圈、功能指令等)以及編程語言(指令表)以便于后者完成梯形圖程序的編寫。用戶通過用戶名和密碼登錄進(jìn)入系統(tǒng)后，即可選擇進(jìn)入PLC程序的編輯部分，當(dāng)梯形圖程序編好之后，PLC部分即對所有指令進(jìn)行一一解釋并判定編寫正確與否，確定無誤后出示控制面板，用戶可通過控制面板上的開關(guān)按鈕，觀察編程元件的顯示情況，鑒別程序的邏輯正確性。

(2)在元器件定義界面上，用戶可根據(jù)需要自行設(shè)定元器件的形狀、尺寸、規(guī)格、型號等，編輯完成后，該元器件會(huì)以.elc格式在庫中，方便以后使用。之后，用戶即可選擇已有元器件在電路編輯器中進(jìn)行操作。除一般電路之外，可將PLC視作一個(gè)已定義好的元器件，來搭建其外部電路，最后通過I/O接口將各個(gè)元件相連構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)。點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕對控制電路進(jìn)行操作，從輸出結(jié)果即可判斷電路的邏輯對錯(cuò)。

(3)在控制對象部分，仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果將通過結(jié)果顯示器以動(dòng)畫模擬的方式展示出來，從結(jié)果中用戶可以判斷程序邏輯功能。主要流程為：將運(yùn)算所得的PLC及各外部設(shè)備的狀態(tài)值傳送至PLC→PLC進(jìn)行梯形圖解運(yùn)算并輸出結(jié)果→控制對象動(dòng)作(動(dòng)作的同時(shí)實(shí)時(shí)檢測并刷新其狀態(tài)，并反饋控制對象的動(dòng)作)。

2 PLC部分仿真實(shí)現(xiàn)

2.1 梯形圖指令解釋實(shí)現(xiàn)

在特殊指令解釋時(shí)，需要將起始和終止共兩次的掃描狀態(tài)進(jìn)行對比，來最大限度地保證其正確性。具體操作時(shí)可選用兩個(gè)虛擬內(nèi)存條，并引入“備用堆?！焙汀皞溆媒Y(jié)果寄存器”來保存起始掃描的計(jì)算結(jié)果，以及“堆?！焙汀敖Y(jié)果寄存器”來保存結(jié)束掃描的算結(jié)果，以下進(jìn)行具體說明：

(1) 常開(及常閉)觸點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)流程。取出觸點(diǎn)內(nèi)存地址→將結(jié)果寄存器中的現(xiàn)有數(shù)據(jù)放入堆?！鷮⒌刂分?常閉觸點(diǎn)則取反)放入結(jié)果寄存器；

(2) 線圈作用的實(shí)現(xiàn)。將結(jié)果寄存器中的值輸出至分別起輸出、輔助、保持作用的“繼電器”內(nèi)存地址中。

觸點(diǎn)和線圈的指令實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 觸點(diǎn)和線圈的指令實(shí)現(xiàn)流程

2.2 梯形圖程序運(yùn)行實(shí)現(xiàn)

仿真系統(tǒng)通過梯形圖程序的運(yùn)行并根據(jù)其轉(zhuǎn)化后的指令語句，即可實(shí)現(xiàn)對真實(shí)PLC控制系統(tǒng)的模擬。各輸入點(diǎn)的狀態(tài)被依次掃描，并由系統(tǒng)軟件中用戶編制的程序進(jìn)行邏輯解算進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成指令進(jìn)行執(zhí)行，指令的執(zhí)行結(jié)果可以被后續(xù)待掃描的指令所利用，然后依次對應(yīng)向各輸出點(diǎn)發(fā)出控制信號。

梯形圖程序運(yùn)行的流程為：在梯形圖編輯器中，用戶點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕→觸發(fā)系統(tǒng)定時(shí)器→系統(tǒng)初始化內(nèi)存地址(常開觸點(diǎn)置零，常閉觸點(diǎn)的定時(shí)器及計(jì)數(shù)器清空)→逐一掃描各元器件并同時(shí)進(jìn)行其指令解釋→直至該條指令結(jié)束→自動(dòng)進(jìn)入下一條指令的掃描→直至用戶點(diǎn)擊“停止”按鈕[5]。

3 電路搭建部分仿真實(shí)現(xiàn)

在仿真系統(tǒng)中，本文通過在軟件中設(shè)置元素來模擬元器件，這里以設(shè)置通用繼電器的模擬元件為例來進(jìn)行分析。在元器件編輯器中，用戶可以在兩個(gè)菜單中分別選擇元器件(如繼電器、開關(guān)按鈕、接觸器、熔斷器、電磁閥、限位開關(guān)、電鈴、傳感器以及聲光指示裝置)以及對應(yīng)的元器件元素(如線圈、接線柱、觸頭、連接線以及保險(xiǎn)絲等)。在通用繼電器設(shè)計(jì)初始，用戶須通過定義邊框確定元器件大小，然后設(shè)置線圈及接線柱并用連接線連接，并設(shè)置一動(dòng)一靜兩個(gè)觸頭以及若干開關(guān)，設(shè)置完成后即可點(diǎn)擊生成一個(gè)通用繼電器。

在對電路進(jìn)行仿真之前，還需要對電子元器件進(jìn)行解釋，這里仍以通用繼電器為例來說明解釋的原理和過程，由于電路解釋時(shí)需要即時(shí)刷新，這會(huì)導(dǎo)致電路中元件的動(dòng)作之間產(chǎn)生相互影響，本文這里引入“樹”的概念來解釋電路，通過將電路中的元器件作為單個(gè)節(jié)點(diǎn)加入到“樹”中，用戶在設(shè)置時(shí)，可首先新建“樹”，接著清空“樹節(jié)點(diǎn)(元器件)”的狀態(tài)，然后對各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)檢查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)控制電路不通時(shí)停止循環(huán)，最后遍歷節(jié)點(diǎn)并給出各元器件輸出值[6-8]。

在對支路的循環(huán)檢查過程中，當(dāng)出現(xiàn)接線柱節(jié)點(diǎn)時(shí)，若其為根節(jié)點(diǎn)則繼續(xù)掃描，否則表示該支路掃描結(jié)束，其流程如圖3所示。

圖3 支路掃描結(jié)束判定流程

4 應(yīng)用實(shí)例分析

4.1 實(shí)例情況說明

基于以上論述，本文這里選擇水塔水位控制系統(tǒng)作為仿真實(shí)例，對仿真系統(tǒng)的建立過程進(jìn)行說明，并通過在仿真環(huán)境中進(jìn)行測試來論證仿真系統(tǒng)的實(shí)用性。

水塔水位控制系統(tǒng)是通過PLC自動(dòng)控制來實(shí)現(xiàn)水塔自動(dòng)進(jìn)、出水，系統(tǒng)中主要的元器件包括液面?zhèn)鞲衅?、電磁閥、PLC 控制器以及電動(dòng)機(jī)。

圖4所示為水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖，其動(dòng)作流程為：當(dāng)水池水位低于水池低水界時(shí)，液面?zhèn)鞲衅魇筍3開關(guān)接合(ON)，YV電磁閥門打開，水池開始蓄水。水位高于低水位界時(shí)， S3開關(guān) 斷開(OFF)。當(dāng)水位升高到高于水池高水位界時(shí)，液面?zhèn)鞲衅魇归_關(guān)S4開關(guān)接合(ON)，YV閥門關(guān)閉，水池停止蓄水。

水塔水位低于水塔低水位界，液面?zhèn)鞲衅魇筍2開關(guān)接合(ON)，若此時(shí)S3為斷開狀態(tài)，則電動(dòng)機(jī)M 運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)水泵抽水。水塔水位上升到高于水塔高水界時(shí)，液面?zhèn)鞲衅魇筍1開關(guān)接合(ON)，電動(dòng)機(jī)M停轉(zhuǎn)，水泵停止工作。

圖4 水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖

4.2 系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)

從以上分析可見該控制系統(tǒng)的工作原理，可以看出系統(tǒng)可通過相關(guān)元器件實(shí)現(xiàn)水塔和水池上、下限水位調(diào)節(jié)和水塔放水等功能。基于此，本文做以下仿真設(shè)計(jì)：

(1)將實(shí)例控制系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計(jì)并下載到仿真電路設(shè)計(jì)的PLC中。

(2)以實(shí)時(shí)水位、水位上限及水位下限作為變量，根據(jù)上節(jié)所述的系統(tǒng)工作原理對應(yīng)編制液位上升和下降函數(shù)，以模擬真實(shí)的水池和水塔液位變化。

(3)在仿真系統(tǒng)中設(shè)置6個(gè)可供用戶自行定義和更改的控制單位，并將它們分別與水塔和水池的高、低液位傳感器以及電動(dòng)機(jī)和電磁閥的開關(guān)共6個(gè)元器件相對應(yīng)。

在仿真系統(tǒng)的對話框中，首先設(shè)置水塔和水池的水位標(biāo)識，可分別用“L”、“M”、“H”對應(yīng)表示實(shí)時(shí)水位“低于低液位傳感器”、“高于低液位且低于高液位的傳感器”、“高于高液位傳感器”的三種狀態(tài)，在另外一個(gè)對話框中，用戶可在輸入框中點(diǎn)擊選擇已經(jīng)在電路編輯器中編輯好的輸入、輸出量與真實(shí)控制系統(tǒng)中的6個(gè)實(shí)際元器件相對應(yīng)。

在完成所有的設(shè)置之后，既可以運(yùn)行仿真系統(tǒng)并通過觀察模擬結(jié)果判斷PLC的程序正確與否以及電路是否搭建正確。經(jīng)過觀察，在仿真系統(tǒng)運(yùn)行期間各環(huán)節(jié)控制動(dòng)作正確，基本能夠?qū)崿F(xiàn)水池水塔自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)際功能。

5 結(jié) 語

為減少PLC產(chǎn)品的研發(fā)周期及成本，本文在對PLC的工作原理及流程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了PLC系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真平臺軟件。通過對PLC控制系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行分析，掌握了其各組成部分的特性以及仿真需注意的要點(diǎn)，并以此為基礎(chǔ)對PLC的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)進(jìn)行了總體布置，并分別確定了其各部分的組成及功能。

文章以一個(gè)水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)為例進(jìn)行了仿真分析，并以仿真所得結(jié)果論證了仿真系統(tǒng)的有效性。由于篇幅等各方面的原因，本文僅對PLC及其仿真系統(tǒng)中的幾個(gè)重要環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析，在今后的研究中還需要進(jìn)一步完善對PLC的功能仿真，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)和真實(shí)系統(tǒng)的聯(lián)接。

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Research on Computer Simulation Platform for PLC Measurement and Control System

MAShou-dong1，MAYu2

(1. Nanjing Higher Vocational College of Engineering. Nanjing 211135, China；2. Liaoyuan Vocational Technical College, Liaoyuan 136200, China)

Based on the analysis of structure and working principle of PLC system, the authors handled its actual work processes, and then designed a computer system for the simulation of PLC, and determined the composition and function of each part of the system. Then, the paper introduced respectively the constructions of PLC and circuit of the simulation system in detail. Finally, the paper simulated a water level automatic control system of water tower, took it as an example to complete the simulation analysis. The simulation results obtained demonstrated the effectiveness of the simulation system. Research done in this paper can provide a reference for the relevant theoretical analysis and practical applications.

PLC control; computer simulation; ladder program; user instructions

2014-09-01

吉林省自然科學(xué)基金(20101505)

馬守東(1973-)，男，江蘇連云港人，講師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)方向。E-mail：mayu162@163.com；1135202626@qq.com

TP 319

A

1006-7167(2015)05-0075-04