基于PLC自動生產(chǎn)線仿真平臺研究

崔晨耕

(西安航空職業(yè)技術(shù)學院 自動化工程學院，陜西 西安 710000)

0 引言

隨著我國自動化生產(chǎn)大范圍普及，且伴隨著生產(chǎn)線智能化，涉及的工程技術(shù)種類多，在生產(chǎn)系統(tǒng)研發(fā)過程中，需要運用到機械和電氣自動化、工程管理程序設(shè)計、電子通信技術(shù)等方面專業(yè)技術(shù)。施工程序設(shè)計在整個自動化系統(tǒng)中占有重要的地位，程序設(shè)計的正確性直接影響最后自動化結(jié)果準確性，因此，針對自動化生產(chǎn)過程中設(shè)計的時序性有必要在自動化控制中進行計算并驗證[1-2]。本文基于PLC自動化仿真平臺，對平臺的數(shù)據(jù)進行分類提取，并根據(jù)數(shù)據(jù)的實時性和時序性進行驗證，在該平臺中的數(shù)據(jù)運行之前，可以對自動化仿真平臺的數(shù)據(jù)進行預評估，提供科研人員對平臺設(shè)計時序性的需求，結(jié)合設(shè)計需要對仿真平臺進行優(yōu)化并改進，從結(jié)構(gòu)模塊建設(shè)、基于PLC信號交互設(shè)計、數(shù)據(jù)分類計算對計算機仿真平臺進行了研究，結(jié)合任務需求完成PLC仿真平臺數(shù)據(jù)驗證[3-5]。

1 自動生產(chǎn)平臺設(shè)計分析

自動化生產(chǎn)平臺過程中涉及的專業(yè)種類多且復雜，針對平臺的開發(fā)研究，需要運用到機械工程制造、電氣自動化和圖紙平面設(shè)計。自動化平臺設(shè)計結(jié)合生產(chǎn)工藝流程，是自動化生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)，基于PLC程序設(shè)計是根據(jù)平臺規(guī)劃圖紙，涉及的平臺結(jié)構(gòu)搭建、自動化軟件編程已達到標準要求，但針對PLC軟件設(shè)計還處于基礎(chǔ)調(diào)試階段，這樣會導致實際生產(chǎn)中的精準性和時效性的校對遠低于設(shè)計標準，并且在驗證中運用的時間較長，在核對過程中，若發(fā)現(xiàn)設(shè)計方案與初始的預計方案不符合時，需要將各個部件的組成方式以軟件的時序性進行重新分析，并且生產(chǎn)系統(tǒng)運用的數(shù)學模型和物理模型需進行重新構(gòu)建使自動化平臺生產(chǎn)的周期延長[6]。為降低自動化生產(chǎn)平臺生產(chǎn)和設(shè)計的時長，減少設(shè)計過程中多余且繁瑣的環(huán)節(jié)，自動化生產(chǎn)平臺在沒有實際場地保證的前提下，對目標物體的設(shè)計和研發(fā)階段在自動線上基于PLC進行模型構(gòu)建，運用PLC自動化仿真平臺時序性的程序設(shè)計，運用仿真模型和實際模型做對比，驗證基于PLC實驗平臺的實際模型與理論構(gòu)建模型相似度，達到對自動化生產(chǎn)平臺的設(shè)計和開發(fā)[7-9]。完成基于PLC自動化仿真平臺設(shè)計，按照生產(chǎn)模式需要完成以下步驟。

1.1 構(gòu)建仿真平臺驅(qū)動單元

基于PLC仿真平臺的驅(qū)動單元包含2個部分：一部分是模型構(gòu)建單元傳感器的輸入模塊，另一部分是以PB點為驅(qū)動的輸出模塊[10]。以單元模型構(gòu)建為基礎(chǔ)，將PLC時序性的程序作為輸入指令，模塊單元的程序時間作為輸出指令，指令結(jié)構(gòu)可以通過實驗平臺搭建的方式獲得，并根據(jù)以上的方式實現(xiàn)仿真平臺模型構(gòu)建。PLC仿真平臺構(gòu)建如圖1所示。

圖1 PLC仿真平臺構(gòu)建

1.2 仿真平臺與PLC程序?qū)?/h3>

基于PLC自動化仿真平臺通信單元的接口是根據(jù)信號交互協(xié)議完成與平臺單元模塊功能信息的時效傳輸，自動化仿真平臺不僅具有在PLC模塊單元之間傳輸?shù)墓δ埽瑫r還具備對各類單元模塊以實際反饋效果進行數(shù)據(jù)更新的功能。PLC程序信息交互如圖2所示。

圖2 PLC程序信息交互

根據(jù)自動化仿真平臺各個模塊的功能結(jié)構(gòu)進行平臺仿真的可視化設(shè)計，結(jié)合模塊單元的參數(shù)組成和集成單元的技術(shù)參數(shù)，結(jié)合平臺結(jié)構(gòu)功能組成的相互聯(lián)系，采用國際通用的設(shè)計標準，對基于PLC自動化仿真平臺的可視化采用標準的層次結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，仿真平臺可視化可以有效提高工作人員在自動化平臺的信號處理。

2 自動化系統(tǒng)模塊

自動生產(chǎn)線仿真平臺是基于PLC程序設(shè)計而成的，該程序在自動化工藝設(shè)計方面具有較高的精密性，驗證PLC實時程序在仿真平臺是否正確，需要將程序在實驗平臺進行運用，若平臺反饋的結(jié)果有錯誤，PLC驅(qū)動程序的機械部件在平臺運轉(zhuǎn)過程中會發(fā)生錯誤碰撞，會導致自動化程序無法達到設(shè)計要求，但該方法的驗證周期長，程序繁瑣[11-13]。因此有必要針對設(shè)計出現(xiàn)的問題來解決PLC程序在仿真平臺的正確性，運用整體的結(jié)構(gòu)性來滿足程序在仿真平臺是否符合規(guī)范要求。

涉及到實際工業(yè)生產(chǎn)中，不能有效避開整體裝備和裝備之間零部件的結(jié)構(gòu)影響，且平臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)的小零部件具備相關(guān)的聯(lián)系性，采用線性結(jié)構(gòu)的正態(tài)分布法，對計算結(jié)果進行回歸分析，隨機變量模型可以有效處理在實驗平臺的隨機變量，并使模型隨機變量參數(shù)的疊加結(jié)果更貼近實驗過程，實驗結(jié)果在運用變量模型的基礎(chǔ)上更具有時效性，結(jié)合以上參數(shù)變量在自動仿真平臺應用，選取隨機變量模型運用到實驗平臺中。

自動化智能生產(chǎn)線系統(tǒng)包含有輸出和輸入2種系統(tǒng)，機器的荷載在2種系統(tǒng)中的作用效果是相輔相成，且結(jié)構(gòu)形式是相互獨立的，自動生產(chǎn)線軸距動量的計算式為式(1)。

(1)

式中，JP為生產(chǎn)線軸距動量;W為生產(chǎn)線的自重;D為轉(zhuǎn)動輪的直徑。

自動生產(chǎn)線負載的計算式為式(2)。

(2)

式中，JB為生產(chǎn)線軸距動量;W為傳輸帶設(shè)備質(zhì)量;P為傳輸帶結(jié)構(gòu)扭矩。

自動生產(chǎn)線加速荷載的計算式為式(3)。

(3)

式中，J1為生產(chǎn)線加速動量;J2為加速帶荷載的動量;i為荷載比。

通過以上計算電機所帶的負載慣量，將其作為電機系統(tǒng)單元模型自變量。本章中所構(gòu)建的時序響應模型，其自變量與因變量如表1所示。其中，自變量含有電機基本信息、負載慣量信息與運動指令信息[14]。

表1 自動生產(chǎn)線單元模塊變量

結(jié)合以上自動生產(chǎn)線軸距動量、自動生產(chǎn)線負載和自動生產(chǎn)線加速荷載的計算式，將自動生產(chǎn)系統(tǒng)的模塊單元作為自變量，根據(jù)實際生產(chǎn)需要對每一項變量進行取值，該自變量包括電動機的轉(zhuǎn)速、電動機的加速荷載等變量。

3 PLC程序信息交互

3.1 PLC單元結(jié)構(gòu)

使用者可根據(jù)PLC程序設(shè)計進行設(shè)備單元內(nèi)部信息交互，在很多的存儲設(shè)備中為使用者提供了信息寫入單元和輸出單元結(jié)構(gòu)，可以在PLC程序中進行數(shù)據(jù)存儲編寫，為特定的程序環(huán)境編寫代碼實現(xiàn)存儲器的寫入、對比和輸出[15]。結(jié)合程序?qū)懭氲牟煌穆窂綄Υ鎯ζ鞯膮?shù)進行調(diào)整，完成以不同方式對存儲設(shè)備的改變?；赑LC自動化生產(chǎn)線仿真平臺需要在存儲器的核心部件劃分等量的存儲結(jié)構(gòu)，并對每一個結(jié)構(gòu)單元設(shè)定該存儲的編寫代碼，對PLC單元中的數(shù)據(jù)重新提取并設(shè)定相應的數(shù)值，自動化運轉(zhuǎn)系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 自動化運轉(zhuǎn)系統(tǒng)參數(shù)

3.2 PLC仿真程序

自動生產(chǎn)線仿真平臺是基于PLC實時程序設(shè)計而成，在該平臺進行的信號交互是依據(jù)Modbus TCP/IP ADU的規(guī)程，該規(guī)程是以信號交互數(shù)據(jù)編碼為基礎(chǔ)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在硬件系統(tǒng)內(nèi)進行實時傳輸，如圖3所示。

圖3 信息通訊協(xié)議結(jié)構(gòu)

MB/AP報頭文、功能碼和數(shù)據(jù)鏈接共同組成該系統(tǒng)內(nèi)的主要結(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)輸入和信息輸出中起到校對作用，為信息交互的正確性提供保障。

在仿真平臺PLC信息交互中包含2個端口：主站設(shè)備客戶端和從站設(shè)備服務端。在主站設(shè)備客戶端中，仿真平臺發(fā)出信號請求，通過請求報文的形式傳輸?shù)綇恼驹O(shè)備服務端，該端口接受到主站設(shè)備的報文請求，在端口結(jié)構(gòu)內(nèi)進行特定功能碼分析并作出相應數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)果以應答報文的形式傳輸?shù)街鞫丝?，主站設(shè)備客戶端結(jié)合報文接受的反饋形式作出應答，這樣就完成了報文信息從主站設(shè)備到從站設(shè)備的一個循環(huán)。仿真平臺信息交互處理如圖4所示。

圖4 仿真平臺信息交互處理

主站設(shè)備客戶端和從站設(shè)備服務端是硬件設(shè)備不可或缺的組成結(jié)構(gòu)，該功能可以實現(xiàn)對接受消息每一幀的識別，并對反饋信息進行重新傳輸，達到設(shè)備信息傳遞的時效性。信息儲存功能由每個字節(jié)組成，常用的從設(shè)備存儲器中讀取的信息編碼如下。

信息編碼為05時的請求內(nèi)容如表3所示。

表3 信息編碼為05時請求內(nèi)容

信息編碼為05時的接收內(nèi)容如表4所示。

表4 信息編碼為05時接收內(nèi)容

自動化仿真平臺和PLC信息交互技術(shù)是根據(jù)Modbus TCP/IP ADU規(guī)程，數(shù)據(jù)設(shè)備客戶端在源頭采集信息并對數(shù)據(jù)類型進行識別，在數(shù)據(jù)傳輸過程中對每一類數(shù)據(jù)標識，根據(jù)信息交互過程中的協(xié)議編碼，對端口采集的數(shù)據(jù)采用編碼識別來確定信息碼，每一幀數(shù)據(jù)的起始位置都是固定不變，傳輸中以存儲位數(shù)不同區(qū)分傳輸內(nèi)容。

4 總結(jié)

本文結(jié)合設(shè)計需要對仿真平臺進行優(yōu)化并改進，從結(jié)構(gòu)模塊建設(shè)、基于PLC信號交互設(shè)計、數(shù)據(jù)分類計算對計算機仿真平臺進行了研究，結(jié)合任務需求完成PLC仿真平臺數(shù)據(jù)驗證。根據(jù)PLC程序設(shè)計進行設(shè)備單元內(nèi)部信息交互，在PLC程序中進行數(shù)據(jù)存儲編寫，為特定的程序環(huán)境編寫代碼實現(xiàn)存儲器的寫入、對比和輸出，驗證基于PLC實驗平臺的實際模型與理論構(gòu)建模型相似度，達到對自動化生產(chǎn)平臺的設(shè)計和開發(fā)。