文/曹宏娟

PLC控制系統(tǒng)開發(fā)過程中，需要控制軟件進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，調(diào)試時間、成本都相對較高，想要克服這一問題，就要對PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行全面分析，讓系統(tǒng)得到進(jìn)一步完善。從當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀來看，開發(fā)PLC控制系統(tǒng)仿真可以降低成本，并且利用仿真界面的形式對坡率控制系統(tǒng)進(jìn)行全面的設(shè)計和調(diào)試，從根本上避免系統(tǒng)事故的出現(xiàn)。因此，加強(qiáng)對組態(tài)軟件的利用，開發(fā)出基于組態(tài)軟件的PLC控制系統(tǒng)仿真，具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 PLC控制系統(tǒng)仿真工作原理

基于組態(tài)軟件的PLC控制系統(tǒng)仿真組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，在這種結(jié)構(gòu)下，可以在計算機(jī)上對整個PLC控制系統(tǒng)功能進(jìn)行調(diào)試模擬，不僅如此，在仿真狀態(tài)下，可以更加直觀的觀察到PLC控制系統(tǒng)程序中存在的問題，同時有針對性的進(jìn)行修正和調(diào)試，確保程序沒有錯誤。在此基礎(chǔ)上，開展現(xiàn)場實(shí)際聯(lián)機(jī)測試更加穩(wěn)定可靠，調(diào)試效率也會得到根本上的提高，調(diào)試費(fèi)用、調(diào)試風(fēng)險也會隨之降低。所謂基于組態(tài)軟件的PLC控制系統(tǒng)仿真就是將已經(jīng)完成編程的控制程序下載到PLC中，并且在組態(tài)軟件環(huán)境中運(yùn)行開發(fā)完成的工程軟件，同時運(yùn)行PLC控制系統(tǒng)，就可以進(jìn)入組態(tài)仿真過程?；诮M態(tài)軟件的PLC控制系統(tǒng)仿真的原理就是在PLC控制系統(tǒng)中的繼電器狀態(tài)和組態(tài)工程軟件數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)之間構(gòu)建鏈接，同時讓該數(shù)據(jù)和計算機(jī)界面上的圖形對象構(gòu)建鏈接。在這樣的情況下，PLC控制系統(tǒng)的輸出模塊和外界斷開，輸出的信號會通過通信線，和組態(tài)工程軟件數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，從而影響到計算機(jī)屏幕上的圖形對象，以此產(chǎn)生相應(yīng)的仿真效果。在實(shí)際應(yīng)用過程中，組態(tài)軟件不僅可以接收多種不同的信號，包括：數(shù)字、模擬等控制信號，同時也可以向PLC控制系統(tǒng)反饋數(shù)字，模擬出各種不同的信號，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，更好的觀察PLC控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果。

2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計分析

2.1 框架結(jié)構(gòu)

由上可知，PLC控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有重要作用，但是在設(shè)計開發(fā)過程中，調(diào)試工作極為重要，傳統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試效率較低、成本較高，因此提出了基于組態(tài)軟件的PLC控制系統(tǒng)仿真的方式，實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)試，在確保程序完全正確的基礎(chǔ)上，進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。但PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計分析也不能夠忽視，在開發(fā)過程中，需要全面了解系統(tǒng)的主要組成模塊，一般情況下，可以分為三個部分，分別為：上位計算機(jī)、接口板、PLC控制系統(tǒng)。比如：想要開發(fā)出一個車輛液壓系統(tǒng)并且對系統(tǒng)進(jìn)行檢驗，就要在實(shí)際應(yīng)用過程中，就要對系統(tǒng)框架進(jìn)行設(shè)計?？紤]到車輛液壓系統(tǒng)的測試內(nèi)容較多沒，參數(shù)較為復(fù)雜，采用組態(tài)軟件完成仿真測試是最優(yōu)選擇。根據(jù)實(shí)際情況來看，車輛液壓系統(tǒng)涉及到的內(nèi)容較多，重點(diǎn)針對液壓閥、液壓缸這兩個方面，在實(shí)際應(yīng)用中需要檢測這兩個設(shè)備的動作順序、行程大小、工作位置，并且采用圖表的雄獅展現(xiàn)出液壓閥、液壓缸這兩個方面的的壓力、溫度和流量等參數(shù)。一般情況下，在檢測車輛液壓系統(tǒng)的過程中會采用液氣聯(lián)調(diào)試驗臺進(jìn)行檢測。重點(diǎn)針對開關(guān)量輸入和輸出、模擬量輸入和輸出，其中開關(guān)量有16組，而模擬量則根據(jù)輸入、輸出分成了2組和4組，車輛液壓系統(tǒng)中使用的PLC控制器則為FX2n-80MR。結(jié)合圖2的系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)來看，在仿真分析的過程中，上位計算機(jī)會將車輛液壓系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送和仿真計算，然后接收PLC控制系統(tǒng)傳輸?shù)男盘?，提供仿真環(huán)境，完成計算機(jī)和PLC控制系統(tǒng)之間的全面融合。

2.2 硬件設(shè)計

在確定系統(tǒng)本身的框架結(jié)構(gòu)后，還要對系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)計，硬件主要可以分為兩個方面，分別為：采集卡選型、接口板設(shè)計?？紤]到需要測控的信號較多，主要包括：16路輸入輸出開關(guān)量、2路輸入模擬量、4路輸出模擬量。結(jié)合信號類型和數(shù)量要求，最終選擇了泓格PCI-1802H/L數(shù)據(jù)采集卡，這個型號的采集卡中含有8路差分模擬量以及2路12位模擬量輸出，同時也具有16路輸入輸出開關(guān)量，滿足車輛液壓系統(tǒng)對信號類型、數(shù)量的要求。不僅如此，該型號的采集卡在和組態(tài)軟件連接上也具有較DA的優(yōu)勢，可以滿足系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計需求。由此可知，在對PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的過程中，需要重點(diǎn)考慮系統(tǒng)本身對信號數(shù)量和信號類型的需求。PLC控制系統(tǒng)中主要是通過觸點(diǎn)斷開和閉合來實(shí)現(xiàn)控制功能，而車輛液壓系統(tǒng)中工作電壓為DC24V，因此數(shù)據(jù)采集卡在連接時，可以進(jìn)行接口電平轉(zhuǎn)換，想要收32路開關(guān)量信號進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，就要使用到8個四光電藕合器TLP521-4，具體的光電隔離電路如圖3所示。

圖1：仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 控制系統(tǒng)

在完成基本的硬件設(shè)計后，具體分配也是十分重要的工作，對于車輛液壓系統(tǒng)而言，并不需要進(jìn)行半實(shí)物系統(tǒng)設(shè)計，但半實(shí)物仿真可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)測試的準(zhǔn)確性，更加接近實(shí)際情況，得到具體的信息。在半實(shí)物仿真狀態(tài)下，PLC控制系統(tǒng)還需要進(jìn)行進(jìn)一步的完善，其中就涉及了PLC的物理分配，在當(dāng)前狀態(tài)下，PLC雖然不需要接入實(shí)際的物理與案件，但也需要按照常規(guī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行操作，并且執(zhí)行相應(yīng)的原則。因此，需要確定系統(tǒng)中的輸入輸出接口，來分配物理I/O地址，圖4表示的就是PLC半實(shí)物仿真控制系統(tǒng)。以電梯控制系統(tǒng)為例，是目前較為常見的最小控制系統(tǒng)，主要涉及14個開關(guān)量輸入端口以及16個開關(guān)量輸出端口。在實(shí)際應(yīng)用過程中，需要控制電梯的上行、下行、開門、關(guān)門、顯示屏顯示等方面，因此在設(shè)計過程中，通過編程線SC-09將PC機(jī)的RS-232串口與PLC的編程口連接，在上位PC上安裝King-View6.5并建立電梯控制模型，完成半實(shí)物仿真。由此可知，在設(shè)計PLC控制系統(tǒng)的過程中，必須要考慮到實(shí)際情況，有針對性的完成設(shè)計，保證在非實(shí)物條件下可以有效運(yùn)行相應(yīng)的軟件。同時也認(rèn)識到在不同的PLC控制系統(tǒng)中，想要實(shí)現(xiàn)半實(shí)物動態(tài)控制仿真，組態(tài)軟件的應(yīng)用必不可少。

3 基于組態(tài)軟件的仿真程序設(shè)計

3.1 組態(tài)軟件流程

圖2：系統(tǒng)框圖

圖3：光電隔離電路圖

圖4：PLC半實(shí)物仿真控制系統(tǒng)

通過上文分析，對PLC控制系統(tǒng)有了全面的了解，但是想要保證仿真工作穩(wěn)定開展，還需要對基于組態(tài)軟件仿真程序設(shè)計進(jìn)行全面的分析，從而在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行前，確保PLC控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。組態(tài)軟件最常見的形式就是上位監(jiān)控計算機(jī)，借助這一設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)控，更好地開展仿真運(yùn)行?，F(xiàn)階段，國內(nèi)組態(tài)軟件較多，且功能較為復(fù)雜。比如：北京某科技公式開發(fā)出來的組態(tài)軟件可以為PLC控制系統(tǒng)提供多方面的硬件驅(qū)動程序以及組態(tài)方式方法，還有數(shù)據(jù)連接等功能。從目前市面上的組態(tài)軟件控制系統(tǒng)的情況來看，一般可以而分為三個層次，包括：控制層、監(jiān)控層、管理層。監(jiān)控層是是三個層次的核心關(guān)鍵，對上可以連接控制層，對下連接管理層，從而有效完成管理控制，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)測、控制，讓組態(tài)軟件工程的開發(fā)作用得到最大程度的發(fā)揮。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗可知，基于組態(tài)軟件的PLC控制系統(tǒng)仿真流程可以劃分成四個步驟：

（1）圖形界面設(shè)計；

（2）數(shù)據(jù)庫構(gòu)造設(shè)計；

（3）動畫連接設(shè)計；

（4）運(yùn)行調(diào)試設(shè)計。

根據(jù)實(shí)際情況來看，在實(shí)際應(yīng)用過程中想要完全實(shí)現(xiàn)組態(tài)仿真，就要完成上述幾個步驟。

3.2 圖形界面設(shè)計

在組態(tài)軟件工程中，圖形界面設(shè)計具有重要作用，在仿真系統(tǒng)工程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。由上可知，基于組態(tài)軟件的PLC控制系統(tǒng)仿真的原理就是在PLC控制系統(tǒng)中的繼電器狀態(tài)和組態(tài)工程軟件數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)之間構(gòu)建鏈接，同時讓該數(shù)據(jù)和計算機(jī)界面上的圖形對象構(gòu)建鏈接。依舊是說，圖形對象是實(shí)現(xiàn)仿真效果的主要載體。以電梯控制仿真模型設(shè)計為例，在進(jìn)行圖形界面設(shè)計的過程中，需要構(gòu)建出電梯模型，包括轎廂、轎廂內(nèi)部按鈕、門廳召喚按鈕、顯示元件等，虛擬的電梯模型可以有效替代實(shí)際的電梯物理模型仿真運(yùn)行。設(shè)計圖形界面的過程中，先要建立一個完整的工程管理器窗口，同時建立電梯PLC控制系統(tǒng)工程，在窗口處啟動畫面開發(fā)系統(tǒng)程序，建立新畫面，就可以利用組態(tài)工程軟件提供的工具設(shè)備，構(gòu)建具體的圖形畫面，建立相應(yīng)的仿真模型。

3.3 數(shù)據(jù)庫的構(gòu)造

數(shù)據(jù)庫的構(gòu)造也是不能忽視的重要組成部分，在實(shí)際應(yīng)用的過程中，數(shù)據(jù)庫可以存儲大量數(shù)據(jù)、建立連接，因此可以說是基于組態(tài)軟件的PLC控制系統(tǒng)仿真的核心。在實(shí)際應(yīng)用過程中要對數(shù)據(jù)變量進(jìn)行定義，從而反映出控制對象的具體屬性，從而在圖形畫面和I/O驅(qū)動程序得之間建立起必要的聯(lián)系。不僅如此，數(shù)據(jù)庫也承擔(dān)著聯(lián)系上位機(jī)、下位機(jī)的任務(wù)，從數(shù)據(jù)詞典中對數(shù)據(jù)庫變量的定義來看，可以分為內(nèi)存變量以及I/O變量，內(nèi)存變量不需要和其他應(yīng)用程度進(jìn)行交換，I/O變量則敲好相反，需要PLC控制系統(tǒng)中的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行變化，以此在程序運(yùn)行過程中，I/O數(shù)據(jù)變量會隨著的PLC控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的變化而變化。比如：在實(shí)際應(yīng)用過程中，PLC控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的輸入輸出地址就是I/O變量，因此在設(shè)計變量屬性的過程中，只需要在定義變量窗口輸入具體的變量名，就可以實(shí)現(xiàn)I/O數(shù)據(jù)設(shè)計。以電梯PLC控制系統(tǒng)為例，在基本屬性頁面中輸入一樓指令按鈕，變量類型設(shè)為I/O離散，連接設(shè)備設(shè)為FX2PLC，同時對寄存器、數(shù)據(jù)類型、讀寫屬性、采集頻率計進(jìn)行設(shè)計，就可以完成數(shù)據(jù)變量定義。需要注意的是，不同變量名之前的定義會存在一定的差別，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行具體分析，從而提高數(shù)據(jù)庫構(gòu)造的準(zhǔn)確性。

3.4 建立動畫連接

圖形界面設(shè)計會直接影響動畫連接效果，因此，在建立動畫連接前，必須要保證圖形界面設(shè)計質(zhì)量，將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)直接反映在圖形畫面中，通過動畫效果表現(xiàn)出圖形對象。在這樣的情況下，如果變量數(shù)值發(fā)生變化，那么圖形對象的變化，就會更加直觀的展現(xiàn)出來，將原本的靜置的圖形畫面實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)圖形界面和物理對象的PLC雙向控制和模擬運(yùn)行。以電梯運(yùn)行的動畫鏈接為例，雙擊圖形界面上的圖形元件，可以彈出動畫連接這一選擇，根據(jù)圖形元件的屬性，對應(yīng)具體的對象名稱以及動畫表達(dá)式。比如：電梯轎廂這一圖形元件，在實(shí)際應(yīng)用過程中，可以實(shí)現(xiàn)垂直移動這一動作，單機(jī)垂直移動，并且對移動距離進(jìn)行設(shè)置，然后就可以觀察轎廂的動畫連接情況，具體判斷動畫連接的實(shí)際效果。

表1：通信參數(shù)設(shè)置情況

3.5 控制程序編寫

控制程序也是整個仿真系統(tǒng)中必不可少的存在，在建立仿真圖形畫面，讓書庫和動畫連接后，還要實(shí)現(xiàn)動態(tài)畫面的仿真運(yùn)行，編寫相應(yīng)的控制命令，包括;應(yīng)用程序命令語言、熱鍵命令語言、時間命令語言、數(shù)據(jù)改變命令語言、自定義函數(shù)命令語言、事件命令語言，組態(tài)王命令語言句法和傳統(tǒng)的編程語言相似。只需要在工程瀏覽器中找到文件，進(jìn)入命令語言編輯器，輸入相應(yīng)的編程語言，就可以完成控制命令編寫，對電梯進(jìn)行控制，包括啟動、運(yùn)行、停止等。比如：電梯門開關(guān)屬于事件命令語言，需要建立事件現(xiàn)階段的可執(zhí)行程序，因此在編寫過程中，要對事件進(jìn)行詳細(xì)的描述，包括發(fā)生、存在、消失等不同的極端，保證仿真圖形界面動作的穩(wěn)定性，讓仿真界面得到全面的發(fā)展。

3.6 控制程序流程

在完成上述幾個方面以后，還要明確控制程序的具體流程，從而保證基于組態(tài)軟件的PLC控制系統(tǒng)的仿真工作得到真正落實(shí)，讓PLC控制系統(tǒng)可以在實(shí)際應(yīng)用中不會出現(xiàn)較為嚴(yán)重的錯誤。基于組態(tài)軟件的PLC控制系統(tǒng)仿真需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行編寫，因此在設(shè)計控制程序的過程中，還要明確具體的流程，比如：電梯在上下運(yùn)行的過程中需要根據(jù)電梯轎廂所處的位置進(jìn)行判斷，具體的流程如下：想要讓電梯進(jìn)行上行召喚，就要判斷電梯所處位置，同時顯示電梯上行，在確定電梯在一樓時，判斷召喚的樓層，然后執(zhí)行上行操作。如果電梯在二樓和三樓還要根據(jù)具體的召喚樓層，執(zhí)行下行召喚，同時顯示相應(yīng)的電梯內(nèi)容情況。

4 PLC控制系統(tǒng)仿真運(yùn)行案例分析

由上可知，想要提高基于組態(tài)軟件的PLC控制系統(tǒng)仿真工作的有效性，就要在實(shí)際應(yīng)用過程中，加強(qiáng)對控制系統(tǒng)的調(diào)試。通過本文分析對基于組態(tài)軟件的PLC控制系統(tǒng)仿真設(shè)計有了全面的了解，為了進(jìn)一步驗證仿真設(shè)計的有效性，采用實(shí)際案例具體分析，PLC控制系統(tǒng)在組態(tài)軟件下的實(shí)際仿真運(yùn)行情況。

4.1 通信參數(shù)設(shè)置

通信參數(shù)的設(shè)計極為重要關(guān)系到最終的結(jié)果的準(zhǔn)確性，作為參數(shù)設(shè)置人員本身也要具有良好的數(shù)字反應(yīng)能力，保證通信參數(shù)更加穩(wěn)定可靠。參數(shù)設(shè)計可以讓仿真運(yùn)行效果得到全面的設(shè)置，主要針對PLC和PC進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，在這樣的情況下，以電梯PLC控制系統(tǒng)為例，根據(jù)實(shí)際的設(shè)備情況完成具體設(shè)置，實(shí)現(xiàn)上位計算機(jī)和實(shí)際PLC系統(tǒng)之間的對應(yīng)性?？紤]到本身使用的電梯設(shè)備為三菱，具體的設(shè)計參數(shù)如表1。

4.2 系統(tǒng)仿真運(yùn)行

在確定了具體參數(shù)的基礎(chǔ)上，還要進(jìn)入系統(tǒng)仿真運(yùn)行，打開PLC控制系統(tǒng)狀態(tài)開關(guān)，同時啟動基于組態(tài)軟件的PLC控制系統(tǒng)仿真系統(tǒng)，就能夠?qū)﹄娞軵LC控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和仿真分析。結(jié)合具體的控制流程，操作上位計算機(jī)中組態(tài)軟件模型界面圖形，就能夠?qū)崿F(xiàn)仿真運(yùn)行，觀察具體的運(yùn)行情況，完成調(diào)試。比如：可以將電梯轎廂停在1樓，按動轎廂內(nèi)2樓召喚按鈕，觀察轎廂是否可以按照具體控制流程完成操作，如果轎廂可以關(guān)閉廂門，并且上行至2樓，還要進(jìn)行進(jìn)一步測驗，查看電梯是否可以上行到三樓。此外，如果想要在電梯PLC控制系統(tǒng)中增加輸入按鈕，還要對轎廂召喚、開關(guān)門等方面進(jìn)行檢查，實(shí)現(xiàn)基于組態(tài)軟件的PLC控制系統(tǒng)仿真控制運(yùn)行，檢驗電梯仿真界面的運(yùn)行是否符合邏輯控制關(guān)系，實(shí)現(xiàn)整個仿真流程分析。通過實(shí)際實(shí)驗結(jié)果來看，整體仿真效果較優(yōu)，仿真效果較好，可以保證電梯穩(wěn)定運(yùn)行，同時也發(fā)現(xiàn)了電梯運(yùn)行中存在的一些問題，對細(xì)節(jié)部分進(jìn)行了微調(diào)。系統(tǒng)運(yùn)行后，數(shù)據(jù)采集卡會將信號傳送給上位機(jī)中的組態(tài)仿真程序，仿真程序就會根據(jù)型號模擬控制對象運(yùn)行，形成一個完整的閉環(huán)試驗過程，在仿真過程中，對PLC控制系統(tǒng)程序進(jìn)行了全面修改，完成仿真后，就可以立即進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)際的聯(lián)機(jī)調(diào)試工作，最大程度縮短了程序的檢驗時間，避免重復(fù)運(yùn)動，提高檢測效率。

5 總結(jié)

綜上所述，基于組態(tài)軟件的PLC控制系統(tǒng)具有豐富的控制算法，在實(shí)際應(yīng)用中，具有靈活高效的控制特點(diǎn)，可以滿足系統(tǒng)監(jiān)控需求。如果想要控制一些較為復(fù)雜的對象，可以適當(dāng)更改相應(yīng)的控制算法，從而提高控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計價值，通過本文分析，對PLC控制系統(tǒng)的仿真進(jìn)行了進(jìn)一步羽化設(shè)計，不僅可以降低成本，同時也能夠利用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控畫面繪制、完善數(shù)據(jù)庫等方面的功能，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。