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基于人機界面的PLC控制系統(tǒng)的仿真研究

時間:2009-12-03 10:42:14來源:yangliu

導語:?PLC具有結構簡單、通用性好、編程方便、柔性好、可靠性高等優(yōu)點,已成為工業(yè)控制的標準設備,應用于工業(yè)自動控制中Ⅲ。
0、引言 PLC具有結構簡單、通用性好、編程方便、柔性好、可靠性高等優(yōu)點,已成為工業(yè)控制的標準設備,應用于工業(yè)自動控制中Ⅲ。然而,PLC控制系統(tǒng)的開發(fā)設計、驗證和調試,還需要仰仗實物模型進行模擬試驗,這種方法效率低、成本高、不安全。同時,PLC控制系統(tǒng)還需要許多的輸入、輸出點來支持,這也是一般實物模型或模擬軟件所不能達到的。如果要想達到仿真的目的,可以利用在工業(yè)控制中經常使用的人機界面,它的特點是可以隨心所欲地設計各種用來模擬靜止的、運動的輸入、輸出設備;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、定時器、計數(shù)器等供用戶使用。所以,開發(fā)人員借助于人機界面能方便、快捷地為PLC控制系統(tǒng)建立一個仿真模型,以驗證、調試所開發(fā)的程序。 1、PLC的仿真實現(xiàn) PLC是PLC控制系統(tǒng)的核心,所以實現(xiàn)PLC仿真是實現(xiàn)整個系統(tǒng)仿真的關鍵。而實現(xiàn)PLC仿真的實質,是使某種設備能模仿PLC控制系統(tǒng)中除PLC以外的所有輸入、輸出設備,而且這些設備能根據(jù)用戶程序(如梯形圖程序)運行起來。 為了實現(xiàn)以上要求,選用了人機界面作為模擬設備。它有豐富的輸入、輸出指示器,經設計可以用來模擬現(xiàn)場的各種設備,并即時顯示設備的運行狀態(tài);它模擬的主令控制器件可以直接在觸摸屏上操作;它還具有龐大的內部寄存器和功能強大的巨集指令應用方式,使人機界面得以經由內部巨集指令功能執(zhí)行數(shù)值運算、邏輯判斷、流程控制、數(shù)值傳送、數(shù)值轉換、計時器、計數(shù)器等,還可以模擬更智能化的控制設備的需求;另外,它的運行方式與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別問題,也就實現(xiàn)了對PLC的仿真。 2、對外部設備的仿真實現(xiàn) 外部設備可以分成三類:一類是主令器,如按鈕、開關等;一類是執(zhí)行件,如各種指示燈、氣缸、電動機、電磁鐵等;還有一類是傳感器,如各種行程開關、接近開關等。 2.1 主令器的仿真實現(xiàn) 主令器形式多樣,如交替型、保持型、復位型、數(shù)值輸入型按鈕等。人機界面實現(xiàn)起來較為方便,只需用人機界面的編輯軟件畫出按鈕,如圖2,然后在按鈕屬性中確認是何種類型按鈕即可,如圖1的功能欄。在仿真時,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)行件的仿真實現(xiàn) 執(zhí)行件在真實系統(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,電動機運轉與不運轉;而把相對行程長、速度慢、在行程~9 n——I停留的執(zhí)行件歸并為往復件,如氣缸、絲杠等。下面以開合件指示燈為例,說明實現(xiàn)執(zhí)行件仿真的方法。在仿真界面上,畫一個如圖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 傳感器的仿真實現(xiàn) 和執(zhí)行件相對應,傳感器也分成開合傳感器和往復傳感器兩類。開合傳感器用來判斷開合件的開合狀態(tài);往復傳感器用來檢測往復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所示是一個由步進電動機驅動的滾珠絲杠傳動控制系統(tǒng),絲杠兩端是光電式位置行程開關,要求運動平臺既可手動控制也可自動控制。在自動控制方式下,啟動后運行平臺先向甲地運行,到達甲地后自動返回乙地,如此循環(huán)。在手動控制方式下,可在甲地或乙地啟動到達目的地停車,必須手動再次啟動,方可繼續(xù)運行,并可實現(xiàn)緊急停車控制腳。 模擬X6、X7光電開關可以用人機界面編輯軟件,編制一個子程序如圖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?shù)竭_預定位置(預定數(shù)值),輸出結果給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、外部設備之間關系的處理 對于PLC控制系統(tǒng)中的某設備來說,它的運動不僅僅取決于PLC的指令,還取決于它和其它設備之間的關系。比如說,PLC中指令驅動一氣缸,由氣缸推動對象A,再由A推動對象B。那么,要使對象B運動,不僅要求直接受PLC控制的氣缸有相對運動,而且還要求對象A要在適當位置。這就是所謂的外部邏輯關系。這些關系可能是由外圍電氣、氣動液壓回路、機械結構所構成,有時比較復雜。但人機界面編輯軟件內部具有豐富巨集指令,可以模擬各種外部邏輯關系,用戶還可根據(jù)自己的要求編制若干個子程序來反映它們復雜的邏輯關系,這樣能比較準確的替代外部設備之間的邏輯關系,以達到模擬效果。 4、仿真系統(tǒng)的總體框架 圖7是整個仿真系統(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) 由傳感器運算模塊來讀取執(zhí)行件狀態(tài)變量,經處理后把檢測結果存入代表虛擬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)進行處理,并把最終結果輸給執(zhí)行件運算模塊; (3)執(zhí)行件運算模塊根據(jù)輸入指令來驅動執(zhí)行件動作,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),經外部邏輯關系處理后,再由執(zhí)行件運算模塊來驅動執(zhí)行件。對于執(zhí)行件和傳感器運算模塊都有手動輸入的功能,這是為人為設置故障準備的。 圖8是根據(jù)仿真系統(tǒng)的總體框圖編制的人機界面程序的流程圖。仿真程序的總體結構采用了掃描的工作方式,這符合真實PLC的工作特點。
圖8 框圖程序的運行過程
5、應用實例 應用本文所介紹的PLC控制系統(tǒng)仿真平臺,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l4個,程序總長196句。為該系統(tǒng)在人機界面上建立的仿真模型編寫了2個子程序。該系統(tǒng)雖不算太復雜,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,利用人機界面的編輯軟件還可以對仿真模型進行多次離線、在線模擬,能檢驗該系統(tǒng)設計的正確性和可靠性。

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