姜信建 姜上川

(1.中國洛陽浮法玻璃集團有限責任公司，河南471009；2.中國農(nóng)業(yè)大學，北京100193)

對于開關量控制過程，諸如自動生產(chǎn)線、組合機床等自動化設備的控制過程等，不論是采用PLC控制系統(tǒng)，還是采用繼電器控制系統(tǒng)，在進行新型設計(包括更換產(chǎn)品設計)或技術改造中，令電氣技術人員關注的核心問題是：他們所設計的控制程序(即PLC梯形圖程序或繼電器邏輯線路)能否滿足實際加工中控制過程的工藝要求。運用模擬仿真技術，能夠在早期(可在設計的同時)、離線狀態(tài)(可在設計室里)對自動化設備的開關量控制過程進行模擬仿真，檢驗并修訂控制程序的設計，發(fā)現(xiàn)設計方面的問題，并將問題解決在設備制造藍圖之前。

現(xiàn)行的模擬仿真系統(tǒng)和方法，主要由PLC(可編程控制器)和輸入信號模擬板構(gòu)成，PLC的輸入端與輸入信號模擬板上的扭子開關相連接，輸入端接點的LED顯示所模擬的各種開關量輸入信號狀態(tài)；其輸出端設置的LED顯示用以表示輸出部分。其模擬仿真的方法主要采用人工觀察、手動操作。由此存在的問題是：(1)輸入信號模擬板僅采用扭子開關一種元件，對多種開關量元器件來說模擬不夠直觀；(2)不具備智能化，其方法上采用人工操作輸入過程、人工觀察輸出驅(qū)動結(jié)果、人工判斷對錯等，仍然沒有擺脫人工模式；(3)系統(tǒng)硬件連接方式是將輸入信號模擬板上的元器件與PLC的輸入端一一對應的接線，較為煩瑣；(4)模擬仿真時對PLC的兩種開關量輸入——人工操作輸入和控制過程輸入不加區(qū)分，一律由人工操作進行仿真，不能真實反映控制現(xiàn)場情況。

1 智能化模擬仿真的技術方案

開關量控制過程的智能化模擬仿真方法，使其對人工輸入的主令元器件具有逼真的視覺和觸控仿真效果，使其對控制過程輸入的開關量能自動按實際情況設定，無須在仿真時人為干預，對控制程序的運行結(jié)果具有自動檢驗、自動判斷的智能化功能。在硬件上采用計算機、觸摸屏、PLC和編程器等，它們之間通過專用電纜插接互連，使配線標準化、簡單化。

開關量控制過程的智能化模擬仿真所采取的技術方案是：按照實際設備順序控制過程的輸入和輸出關系，繪制邏輯展開圖，它是編制模擬仿真組態(tài)程序的"腳本"；依照邏輯展開圖各工步中輸入和輸出的對應關系，區(qū)別PLC的兩種開關量輸入，用計算機組態(tài)軟件分別進行編程：(1)對人工操作輸入，即由人在控制盤上操縱的按鈕、旋鈕及其它主令元件而產(chǎn)生的輸入，利用組態(tài)軟件設計觸摸屏的用戶窗口界面，編寫組態(tài)程序?qū)⒂脩舸翱诘能浽?按鈕等主令元器件)與PLC控制器的輸入通道相連接，通過人工觸控觸摸屏窗口的軟元件即可改變PLC相對應的輸入通道的狀態(tài)；(2)對控制過程輸入，即由機械體的位移觸動行程開關等產(chǎn)生的輸入，用組態(tài)軟件的運行策略編寫腳本程序，根據(jù)所采集的PLC輸出狀態(tài)，依照邏輯展開圖確定該工步中由此輸出作用產(chǎn)生的輸入狀態(tài)，用組態(tài)程序?qū)LC該輸入通道設定為邏輯展開圖中所要求的狀態(tài)。PLC的中央處理器根據(jù)輸入通道的狀態(tài)，執(zhí)行其內(nèi)部的梯形圖控制程序，產(chǎn)生相應的輸出驅(qū)動；對上述仿真的結(jié)果進行自動判斷：依據(jù)控制過程的邏輯展開圖中各工步區(qū)間輸入和輸出的對應關系，在組態(tài)的設備窗口配置PLC輸入和輸出的數(shù)據(jù)采集，用組態(tài)程序編寫腳本程序，將在各控制工步中采集的輸入和輸出開關量與邏輯展開圖的輸入和輸出進行比較、判斷，并在人機界面上給出相應的提示。

2 智能化模擬仿真實施方式

2.1 智能化模擬仿真硬件系統(tǒng)

開關量控制過程的智能化模擬仿真硬件系統(tǒng)，主要在由計算機、觸摸屏、PLC可編程控制器構(gòu)成的模擬仿真系統(tǒng)上進行。如圖1所示。

圖1 智能化模擬仿真系統(tǒng)構(gòu)成Figure 1 The constitute of intelligent analog simulation system

控制系統(tǒng)采用西門子S7-200 PLC。通過LCD編程器或計算機，將所設計的PLC梯形圖控制程序輸入到PLC主機。S7-200 PLC用于編程的軟件是STEP7-Micro/DOS,它提供兩種編程語言選項：梯形圖語言和語句表語言。

2.2 模擬仿真實施例

本文所述實施例的模擬仿真對象是一臺組合機床，控制過程如圖2所示。

控制過程的工藝要求為：

(1)加工狀態(tài)：

圖2 智能化模擬仿真實施例的控制過程Figure 2 The control process of intelligent analog simulation

上述，完成一次正常加工。

(2)調(diào)整狀態(tài)

調(diào)整狀態(tài)分為拉料機構(gòu)的“拉入-拉出”，定位機構(gòu)的“定位-拔銷”，夾緊機構(gòu)的“夾緊-放松”，滑臺機構(gòu)的“向前-向后”等相對獨立的動作環(huán)節(jié)。

根據(jù)圖2所示的工藝要求，本實施例所述的開關量控制過程模擬仿真方法為：確定如表1所示PLC輸入/輸出地址表；按照圖2給出的實際設備順序控制過程的輸入和輸出關系和PLC輸入/輸出地址表繪制如圖3所示邏輯展開圖；依照邏輯展開圖的各工步中輸入和輸出的對應關系，區(qū)別PLC的兩種開關量輸入，用計算機組態(tài)軟件分別進行編程：(1)對人工操作輸入，即由人在控制盤上操縱的按鈕、旋鈕及其它主令元件而產(chǎn)生的輸入，利用組態(tài)軟件設計觸摸屏的用戶窗口界面，編寫組態(tài)程序?qū)⒂脩舸翱诘能浽?按鈕等主令元器件)與PLC控制器的輸入通道相連接，即通過人工觸控觸摸屏窗口的軟元件即可改變PLC相對應的輸入通道的狀態(tài)；(2)對控制過程輸入，即由機械體的位移觸動行程開關等產(chǎn)生的輸入，用組態(tài)軟件的運行策略編寫腳本程序，根據(jù)所采集的PLC輸出狀態(tài)，依照邏輯展開圖確定該工步中由此輸出作用產(chǎn)生的輸入狀態(tài)，用組態(tài)程序?qū)LC該輸入通道設定為邏輯展開圖中所要求的狀態(tài)。對上述仿真的結(jié)果進行自動判斷：依據(jù)控制過程邏輯展開圖中各工步區(qū)間輸入和輸出的對應關系，在組態(tài)的設備窗口配置PLC輸入和輸出的數(shù)據(jù)采集，用組態(tài)程序編寫腳本程序，將在各控制工步中采集的輸入和輸出開關量與邏輯展開圖的輸入和輸出進行比較、判斷，并在人機界面上給出相應的提示。

本發(fā)明實施例控制系統(tǒng)的PLC輸入/輸出地址表見表1。

表1 PLC輸入/輸出地址表

其中，輸出通道Q0.0-Q1.0設定為驅(qū)動1YV-9YV電磁鐵的輸出地址。輸入通道I0.0-I2.1設定為兩種輸入的地址(人工操作的輸入和控制過程的輸入)，I0.0-I1.0為人工操作的輸入地址，是由旋鈕SA、按鈕SB1-SB8作用輸入；I1.1-I2.1為控制過程的輸入地址，是由行程開關SQ1-SQ7、壓力繼電器1SP-2SP作用輸入。

在模擬仿真系統(tǒng)中，PLC的輸入端和輸出端不連接任何實際器件。PLC的輸入端(輸入通道)的狀態(tài)，是通過計算機或觸摸屏的組態(tài)程序按模擬仿真的要求設置其狀態(tài)的，PLC的輸出端(輸出通道)的狀態(tài)，是由PLC根據(jù)輸入端(輸入通道)的狀態(tài)，執(zhí)行其內(nèi)部的梯形圖控制程序而相應產(chǎn)生輸出驅(qū)動。PLC的I/O接點均帶有LED狀態(tài)顯示。

邏輯展開圖是根據(jù)控制過程的具體輸入/輸出要求繪制的，它嚴謹?shù)胤从沉隧樞蚩刂七^程各工步的開關量邏輯關系。如圖3所示。

圖3 智能化模擬仿真實施例的 控制過程邏輯展開圖Figure 3 The logic expanded diagram of intelligent analog simulation control process

其繪制方法是，根據(jù)控制對象的順序、控制過程的工藝要求示意圖及PLC輸入/輸出地址表(I/O地址表)，將整個控制過程按工步劃分成若干個區(qū)間，在各個區(qū)間上方注明該工步的名稱。在區(qū)間的界線或其間，標定相應輸入/輸出開關量信號的作用點或作用區(qū)間，展開一個工作周期的輸入/輸出的邏輯關系。對輸入短信號在各區(qū)間的界線上用“○”表示，對跨區(qū)間的輸入長信號，用“○—→|”表示。輸出信號用“——”表示其作用區(qū)間。計時器用“─┄┄”表示，實線段表示計時時間，后接虛線段表示時間到后計時器尚未清零。

在邏輯展開圖中，將兩種輸入加以區(qū)分：將人工操作的開關量輸入標示在邏輯展開圖的頂部的區(qū)間界線處；將控制過程的開關量輸入標示在邏輯展開圖的上半部分，作用點或作用區(qū)間，標定在區(qū)間的界線或其間；開關量輸出則在邏輯展開圖的下半部分。邏輯展開圖真實地反映出順序控制過程中的輸入/輸出狀態(tài)的實際變化情況，它是用組態(tài)軟件編制模擬仿真程序的“腳本”。

3 編制組態(tài)程序進行智能化模擬仿真

本發(fā)明實施例采用MCGS組態(tài)軟件，它主要包括用戶窗口、設備窗口和運行策略等部分，每一部分分別進行組態(tài)操作完成不同的工作，具有不同的特性。其中：(1)用戶窗口——主要用于設置工程中人機交互的界面，諸如：生成動畫顯示畫面、操作控制面板、報表等。(2)設備窗口——是連接和驅(qū)動外部設備的工作環(huán)境。在該窗口內(nèi)配置數(shù)據(jù)采集與控制輸出設備，定義連接與驅(qū)動設備用的數(shù)據(jù)變量。(3)運行策略——該窗口主要完成工程流程的控制，包括(控制程序)，選用各種功能構(gòu)件。

結(jié)合本發(fā)明實施例，采用MCGS組態(tài)軟件編制組態(tài)程序進行模擬仿真的主要方法是：

(1)對人工操作輸入及其輸出的組態(tài)方法是：正常加工狀態(tài)下，在每一個控制過程的循環(huán)中，操作人員需在人機界面分別按動五個按鈕，即有五個人工操作的輸入，其順序為：

I0.1(拉入按鈕SB1)—→I0.3(定位按鈕SB3)—→I0.5(夾緊按鈕SB5)—→I0.7(向前按鈕SB7)—→I0.2(拉出按鈕SB2)

利用組態(tài)軟件設計觸摸屏的用戶窗口界面，其中包含所有按鈕SB1-8和旋鈕SA的組態(tài)元件，并編寫組態(tài)程序?qū)⒂|摸屏用戶窗口的軟元件(按鈕等主令元器件)與設備窗口的PLC控制器的輸入通道相連接，通過人工觸控觸摸屏窗口的軟元件即可改變PLC的相對應的輸入通道的狀態(tài)。PLC 的中央處理器根據(jù)內(nèi)部的控制程序，執(zhí)行相應的輸出驅(qū)動，并由其輸出端的LED信號燈表示輸出控制的動作完成狀態(tài)。

(2)對控制過程產(chǎn)生輸入及其輸出的組態(tài)方法是：正常加工狀態(tài)下，在每一個控制過程的循環(huán)中，由機械體的位移觸動行程開關等產(chǎn)生的輸入共有9個，按作用順序分別為：

I1.1(拉入到位壓力繼電器1SP)—→I2.0(定位行程開關SQ6)—→I1.7(夾緊行程開關SQ5)—→I1.2(夾緊壓力繼電器2SP)—→I1.4(工進位行程開關SQ2)—→I1.5(終點行程開關SQ3)—→I1.3(原位行程開關SQ1)—→I2.1(拔銷行程開關SQ7)—→I1.6(拉出位行程開關SQ4)

用組態(tài)軟件的運行策略，編寫腳本程序，根據(jù)所采集的PLC輸出狀態(tài)，依照邏輯展開圖確定該控制過程產(chǎn)生的輸入狀態(tài)，并用組態(tài)程序?qū)⒃O備窗口的PLC該輸入通道設定為相應的狀態(tài)。

同樣，PLC的中央處理器根據(jù)輸入端(輸入通道)的狀態(tài)，執(zhí)行其內(nèi)部的梯形圖控制程序，而相應產(chǎn)生輸出驅(qū)動。PLC的I/O接點均帶有LED狀態(tài)顯示。

(3)自動判斷正誤的組態(tài)方法是：依據(jù)控制過程的工藝要求(即邏輯展開圖)中各工步區(qū)間輸入和輸出的對應關系，在組態(tài)的設備窗口配置PLC輸入和輸出的數(shù)據(jù)采集，用組態(tài)程序編寫腳本程序，將在各控制工步中采集的輸入和輸出開關量與邏輯展開圖(工藝要求)的輸入和輸出的對應關系進行比較、判斷。若相一致，則表明PLC梯形圖控制程序滿足該控制過程的要求，則為正確(OK)；否則為錯誤(NO)，并在人機界面上給出相應的提示或彈出相應提示窗口。

[1]中國洛陽浮法玻璃集團有限責任公司.開關量控制過程的智能化模擬仿真方法[P].中國專利：ZL 2004 1 0060495.3，2008-04-02.

[2]洛陽玻璃股份有限公司.開關量順序控制過程的模擬仿真系統(tǒng)和模擬仿真方法[P].中國專利：01135298.1，2001-12-25.