PLC測控系統下的計算機仿真平臺

馬守東， 馬 毓

(1. 南京工程高等職業學校，江蘇 南京 211135； 2. 遼源職業技術學院，吉林 遼源 136200)

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PLC測控系統下的計算機仿真平臺

馬守東1， 馬 毓2

(1. 南京工程高等職業學校，江蘇 南京 211135； 2. 遼源職業技術學院，吉林 遼源 136200)

本文通過對PLC測控系統的結構及工作原理進行分析，掌握了其實際工作流程，之后以此為基礎對PLC的計算機仿真系統進行了總體布置，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的PLC和電路搭建兩個部分的仿真實現作了較為詳細的論述。最后，文章就一個水塔水位自動控制系統為例進行了仿真分析，并以仿真所得結果論證了仿真系統的有效性。本文所做的研究可以為相關理論分析和實際應用提供參考。

PLC控制； 計算機仿真； 梯形圖程序； 用戶指令

0 引 言

自1969年研制出現至今，PLC在全球工業領域范圍內得到了迅速發展和廣泛應用。在取得積極成績的同時，在應用過程中也出現了很多問題，這主要表現在：① 為使產品在實際現場的操作、運行、維護、應對突發情況等方面都表現出優異性能，要求在PLC系統在調試階段通過多種模擬工況的檢測，但PLC的實際工作現場較為復雜，不僅造成安裝調試周期長、成本高，而且在為客戶展示系統運行狀況的環節也多有不便；② 隨著PLC內部程序趨于復雜和龐大，需要越來越多的編程人員參與進來，這樣在程序的檢查、校驗以及最終匯編環節極易產生混亂，影響協同設計、延緩開發周期[1]。

針對以上問題，本文擬設計一種行之有效的軟件系統，基于計算機平臺完成對PLC的設計、編程、實現、調試的整個環節的仿真模擬，以便經濟、高效、安全地實現PLC系統開發。文章可以為相關的理論研究和實際應用提供參考。

1 PLC系統分析

1.1 PLC的工作原理

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

在實際進行分析時，PLC的工作過程在一定程度上可以與梯形圖程序執行過程(順次掃描輸入點狀態→解算控制邏輯→依次向對應輸出點發出控制信號)對應起來進行理解，另外再加上每個掃描周期內的故障自查和應對處理以及與外部的通信等環節，大致可以分為以下5個環節[2]：

(1) 故障自查。PLC在每次“掃描”之前都要對其各個硬件總成進行故障自查，一旦發現問題隨即轉入處理程序，保留現狀并停止輸出，停機并出示故障信息。

(2) 響應處理。在系統自查完成無誤后，PLC便開始掃描通信接口，接收通信請求并響應處理。例如在掃描編程器時，主機接收編程器的相關指令(運行、停止、清內存等)及參數修改進行相應操作，并將顯示狀態、數據參數、錯誤代碼對編程器進行相應指示。

(3) 輸入。在完成以上工作后，PLC既開始掃描并讀入各個輸入點的狀態和數據并形成內存映象，該映像內容維持一個掃描周期不變直至下一個周期輸入新的采樣，且將所存儲的映像作為解算用戶邏輯的輸入值。

(4) 執行。PLC執行用戶程序是根據存儲器地址由低到高的順序來進行的(在無跳轉的情況下)，在對程序進行解算的過程中所用到的定時器、內部繼電器、計數器等采用存儲單元的即時值，而輸入、輸出繼電器則采用內存映象值。

(5) 刷新。在掃描刷新的過程中，前一次的掃描解算結果會被后一次所替代，完成輸出刷新。各次解算所得的輸出信號會逐條存入輸出信號寄存表，全部解算完成后輸出信號被統一送至輸出模塊，完成程序對應的動作。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將以上述的PLC的工作原理為依據進行設計。

1.2 PLC仿真系統總體布置

1.2.1 PLC仿真系統功能確定

PLC控制系統較為復雜，本文在仿真軟件的設計時，著重以實現PLC內部工作情況的說明以及外部電路的解釋作為工作重點，并選擇在國內應用較為廣泛的日本OMRON公司的開發生產的CPM系列產品中的CPM1A-30CDR作為仿真系統樣品。為了實現仿真的整體性、有效性，需在仿真軟件的功能設計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 梯形圖程序的執行指令說明，以提高仿真系統的準確性和適用的范圍；

(2)在仿真系統的兼容性以及元器件的模塊化等方面深入研究，使系統能夠對多種PLC系統進行模擬，并且有功能多樣的元器件便于用戶自由組合使用；

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

1.2.2 PLC仿真系統組成

根據上述功能分析，本文將仿真系統分為PLC、電路以及控制系統3個部分，以下一一進行說明[4]：

(1) PLC部分作為系統核心，主要提供給用戶編程界面、編程元件(包括觸點、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入系統后，即可選擇進入PLC程序的編輯部分，當梯形圖程序編好之后，PLC部分即對所有指令進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，用戶可根據需要自行設定元器件的形狀、尺寸、規格、型號等，編輯完成后，該元器件會以.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行操作。除一般電路之外，可將PLC視作一個已定義好的元器件，來搭建其外部電路，最后通過I/O接口將各個元件相連構成整個控制系統。點擊“運行”按鈕對控制電路進行操作，從輸出結果即可判斷電路的邏輯對錯。

(3)在控制對象部分，仿真實驗的結果將通過結果顯示器以動畫模擬的方式展示出來，從結果中用戶可以判斷程序邏輯功能。主要流程為：將運算所得的PLC及各外部設備的狀態值傳送至PLC→PLC進行梯形圖解運算并輸出結果→控制對象動作(動作的同時實時檢測并刷新其狀態，并反饋控制對象的動作)。

2 PLC部分仿真實現

2.1 梯形圖指令解釋實現

在特殊指令解釋時，需要將起始和終止共兩次的掃描狀態進行對比，來最大限度地保證其正確性。具體操作時可選用兩個虛擬內存條，并引入“備用堆棧”和“備用結果寄存器”來保存起始掃描的計算結果，以及“堆棧”和“結果寄存器”來保存結束掃描的算結果，以下進行具體說明：

(1) 常開(及常閉)觸點的實現流程。取出觸點內存地址→將結果寄存器中的現有數據放入堆棧→將地址值(常閉觸點則取反)放入結果寄存器；

(2) 線圈作用的實現。將結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”內存地址中。

觸點和線圈的指令實現流程如圖2所示。

圖2 觸點和線圈的指令實現流程

2.2 梯形圖程序運行實現

仿真系統通過梯形圖程序的運行并根據其轉化后的指令語句，即可實現對真實PLC控制系統的模擬。各輸入點的狀態被依次掃描，并由系統軟件中用戶編制的程序進行邏輯解算進一步轉化成指令進行執行，指令的執行結果可以被后續待掃描的指令所利用，然后依次對應向各輸出點發出控制信號。

梯形圖程序運行的流程為：在梯形圖編輯器中，用戶點擊“運行”按鈕→觸發系統定時器→系統初始化內存地址(常開觸點置零，常閉觸點的定時器及計數器清空)→逐一掃描各元器件并同時進行其指令解釋→直至該條指令結束→自動進入下一條指令的掃描→直至用戶點擊“停止”按鈕[5]。

3 電路搭建部分仿真實現

在仿真系統中，本文通過在軟件中設置元素來模擬元器件，這里以設置通用繼電器的模擬元件為例來進行分析。在元器件編輯器中，用戶可以在兩個菜單中分別選擇元器件(如繼電器、開關按鈕、接觸器、熔斷器、電磁閥、限位開關、電鈴、傳感器以及聲光指示裝置)以及對應的元器件元素(如線圈、接線柱、觸頭、連接線以及保險絲等)。在通用繼電器設計初始，用戶須通過定義邊框確定元器件大小，然后設置線圈及接線柱并用連接線連接，并設置一動一靜兩個觸頭以及若干開關，設置完成后即可點擊生成一個通用繼電器。

在對電路進行仿真之前，還需要對電子元器件進行解釋，這里仍以通用繼電器為例來說明解釋的原理和過程，由于電路解釋時需要即時刷新，這會導致電路中元件的動作之間產生相互影響，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節點加入到“樹”中，用戶在設置時，可首先新建“樹”，接著清空“樹節點(元器件)”的狀態，然后對各節點進行循環檢查，當發現控制電路不通時停止循環，最后遍歷節點并給出各元器件輸出值[6-8]。

在對支路的循環檢查過程中，當出現接線柱節點時，若其為根節點則繼續掃描，否則表示該支路掃描結束，其流程如圖3所示。

圖3 支路掃描結束判定流程

4 應用實例分析

4.1 實例情況說明

基于以上論述，本文這里選擇水塔水位控制系統作為仿真實例，對仿真系統的建立過程進行說明，并通過在仿真環境中進行測試來論證仿真系統的實用性。

水塔水位控制系統是通過PLC自動控制來實現水塔自動進、出水，系統中主要的元器件包括液面傳感器、電磁閥、PLC 控制器以及電動機。

圖4所示為水塔水位自動控制系統示意圖，其動作流程為：當水池水位低于水池低水界時，液面傳感器使S3開關接合(ON)，YV電磁閥門打開，水池開始蓄水。水位高于低水位界時， S3開關 斷開(OFF)。當水位升高到高于水池高水位界時，液面傳感器使開關S4開關接合(ON)，YV閥門關閉，水池停止蓄水。

水塔水位低于水塔低水位界，液面傳感器使S2開關接合(ON)，若此時S3為斷開狀態，則電動機M 運轉，驅動水泵抽水。水塔水位上升到高于水塔高水界時，液面傳感器使S1開關接合(ON)，電動機M停轉，水泵停止工作。

圖4 水塔水位自動控制系統示意圖

4.2 系統仿真實現

從以上分析可見該控制系統的工作原理，可以看出系統可通過相關元器件實現水塔和水池上、下限水位調節和水塔放水等功能。基于此，本文做以下仿真設計：

(1)將實例控制系統的PLC程序設計并下載到仿真電路設計的PLC中。

(2)以實時水位、水位上限及水位下限作為變量，根據上節所述的系統工作原理對應編制液位上升和下降函數，以模擬真實的水池和水塔液位變化。

(3)在仿真系統中設置6個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機和電磁閥的開關共6個元器件相對應。

在仿真系統的對話框中，首先設置水塔和水池的水位標識，可分別用“L”、“M”、“H”對應表示實時水位“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，在另外一個對話框中，用戶可在輸入框中點擊選擇已經在電路編輯器中編輯好的輸入、輸出量與真實控制系統中的6個實際元器件相對應。

在完成所有的設置之后，既可以運行仿真系統并通過觀察模擬結果判斷PLC的程序正確與否以及電路是否搭建正確。經過觀察，在仿真系統運行期間各環節控制動作正確，基本能夠實現水池水塔自動控制系統的實際功能。

5 結 語

為減少PLC產品的研發周期及成本，本文在對PLC的工作原理及流程進行分析的基礎上，設計了PLC系統的計算機仿真平臺軟件。通過對PLC控制系統的工作原理進行分析，掌握了其各組成部分的特性以及仿真需注意的要點，并以此為基礎對PLC的計算機仿真系統進行了總體布置，并分別確定了其各部分的組成及功能。

文章以一個水塔水位自動控制系統為例進行了仿真分析，并以仿真所得結果論證了仿真系統的有效性。由于篇幅等各方面的原因，本文僅對PLC及其仿真系統中的幾個重要環節進行了分析，在今后的研究中還需要進一步完善對PLC的功能仿真，并進一步實現仿真系統和真實系統的聯接。

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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

吉林省自然科學基金(20101505)

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

TP 319

A

1006-7167(2015)05-0075-04