基于組態軟件的PLC控制系統仿真

文/曹宏娟

PLC控制系統開發過程中，需要控制軟件進行現場調試，調試時間、成本都相對較高，想要克服這一問題，就要對PLC控制系統進行全面分析，讓系統得到進一步完善。從當前發展現狀來看，開發PLC控制系統仿真可以降低成本，并且利用仿真界面的形式對坡率控制系統進行全面的設計和調試，從根本上避免系統事故的出現。因此，加強對組態軟件的利用，開發出基于組態軟件的PLC控制系統仿真，具有現實意義。

1 PLC控制系統仿真工作原理

基于組態軟件的PLC控制系統仿真組成結構如圖1所示，在這種結構下，可以在計算機上對整個PLC控制系統功能進行調試模擬，不僅如此，在仿真狀態下，可以更加直觀的觀察到PLC控制系統程序中存在的問題，同時有針對性的進行修正和調試，確保程序沒有錯誤。在此基礎上，開展現場實際聯機測試更加穩定可靠，調試效率也會得到根本上的提高，調試費用、調試風險也會隨之降低。所謂基于組態軟件的PLC控制系統仿真就是將已經完成編程的控制程序下載到PLC中，并且在組態軟件環境中運行開發完成的工程軟件，同時運行PLC控制系統，就可以進入組態仿真過程。基于組態軟件的PLC控制系統仿真的原理就是在PLC控制系統中的繼電器狀態和組態工程軟件數據庫中的數據之間構建鏈接，同時讓該數據和計算機界面上的圖形對象構建鏈接。在這樣的情況下，PLC控制系統的輸出模塊和外界斷開，輸出的信號會通過通信線，和組態工程軟件數據庫中的數據進行交換，從而影響到計算機屏幕上的圖形對象，以此產生相應的仿真效果。在實際應用過程中，組態軟件不僅可以接收多種不同的信號，包括：數字、模擬等控制信號，同時也可以向PLC控制系統反饋數字，模擬出各種不同的信號，實現數據交換，更好的觀察PLC控制系統的實際應用效果。

2 PLC控制系統設計分析

2.1 框架結構

由上可知，PLC控制系統在實際應用中具有重要作用，但是在設計開發過程中，調試工作極為重要，傳統的現場調試效率較低、成本較高，因此提出了基于組態軟件的PLC控制系統仿真的方式，實現模擬調試，在確保程序完全正確的基礎上，進行聯機調試。但PLC控制系統的設計分析也不能夠忽視，在開發過程中，需要全面了解系統的主要組成模塊，一般情況下，可以分為三個部分，分別為：上位計算機、接口板、PLC控制系統。比如：想要開發出一個車輛液壓系統并且對系統進行檢驗，就要在實際應用過程中，就要對系統框架進行設計。考慮到車輛液壓系統的測試內容較多沒，參數較為復雜，采用組態軟件完成仿真測試是最優選擇。根據實際情況來看，車輛液壓系統涉及到的內容較多，重點針對液壓閥、液壓缸這兩個方面，在實際應用中需要檢測這兩個設備的動作順序、行程大小、工作位置，并且采用圖表的雄獅展現出液壓閥、液壓缸這兩個方面的的壓力、溫度和流量等參數。一般情況下，在檢測車輛液壓系統的過程中會采用液氣聯調試驗臺進行檢測。重點針對開關量輸入和輸出、模擬量輸入和輸出，其中開關量有16組，而模擬量則根據輸入、輸出分成了2組和4組，車輛液壓系統中使用的PLC控制器則為FX2n-80MR。結合圖2的系統框架結構來看，在仿真分析的過程中，上位計算機會將車輛液壓系統中的數據進行傳送和仿真計算，然后接收PLC控制系統傳輸的信號，提供仿真環境，完成計算機和PLC控制系統之間的全面融合。

2.2 硬件設計

在確定系統本身的框架結構后，還要對系統的硬件進行設計，硬件主要可以分為兩個方面，分別為：采集卡選型、接口板設計。考慮到需要測控的信號較多，主要包括：16路輸入輸出開關量、2路輸入模擬量、4路輸出模擬量。結合信號類型和數量要求，最終選擇了泓格PCI-1802H/L數據采集卡，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路輸入輸出開關量，滿足車輛液壓系統對信號類型、數量的要求。不僅如此，該型號的采集卡在和組態軟件連接上也具有較DA的優勢，可以滿足系統實際設計需求。由此可知，在對PLC控制系統進行設計的過程中，需要重點考慮系統本身對信號數量和信號類型的需求。PLC控制系統中主要是通過觸點斷開和閉合來實現控制功能，而車輛液壓系統中工作電壓為DC24V，因此數據采集卡在連接時，可以進行接口電平轉換，想要收32路開關量信號進行電平轉換，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：仿真系統結構圖

2.3 控制系統

在完成基本的硬件設計后，具體分配也是十分重要的工作，對于車輛液壓系統而言，并不需要進行半實物系統設計，但半實物仿真可以進一步提高系統測試的準確性，更加接近實際情況，得到具體的信息。在半實物仿真狀態下，PLC控制系統還需要進行進一步的完善，其中就涉及了PLC的物理分配，在當前狀態下，PLC雖然不需要接入實際的物理與案件，但也需要按照常規的控制系統進行操作，并且執行相應的原則。因此，需要確定系統中的輸入輸出接口，來分配物理I/O地址，圖4表示的就是PLC半實物仿真控制系統。以電梯控制系統為例，是目前較為常見的最小控制系統，主要涉及14個開關量輸入端口以及16個開關量輸出端口。在實際應用過程中，需要控制電梯的上行、下行、開門、關門、顯示屏顯示等方面，因此在設計過程中，通過編程線SC-09將PC機的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，完成半實物仿真。由此可知，在設計PLC控制系統的過程中，必須要考慮到實際情況，有針對性的完成設計，保證在非實物條件下可以有效運行相應的軟件。同時也認識到在不同的PLC控制系統中，想要實現半實物動態控制仿真，組態軟件的應用必不可少。

3 基于組態軟件的仿真程序設計

3.1 組態軟件流程

圖2：系統框圖

圖3：光電隔離電路圖

圖4：PLC半實物仿真控制系統

通過上文分析，對PLC控制系統有了全面的了解，但是想要保證仿真工作穩定開展，還需要對基于組態軟件仿真程序設計進行全面的分析，從而在系統實際運行前，確保PLC控制系統可以實現穩定運行。組態軟件最常見的形式就是上位監控計算機，借助這一設備可以實現可視化監控，更好地開展仿真運行。現階段，國內組態軟件較多，且功能較為復雜。比如：北京某科技公式開發出來的組態軟件可以為PLC控制系統提供多方面的硬件驅動程序以及組態方式方法，還有數據連接等功能。從目前市面上的組態軟件控制系統的情況來看，一般可以而分為三個層次，包括：控制層、監控層、管理層。監控層是是三個層次的核心關鍵，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，實現現場實時監測、控制，讓組態軟件工程的開發作用得到最大程度的發揮。根據實際經驗可知，基于組態軟件的PLC控制系統仿真流程可以劃分成四個步驟：

（1）圖形界面設計；

（2）數據庫構造設計；

（3）動畫連接設計；

（4）運行調試設計。

根據實際情況來看，在實際應用過程中想要完全實現組態仿真，就要完成上述幾個步驟。

3.2 圖形界面設計

在組態軟件工程中，圖形界面設計具有重要作用，在仿真系統工程中發揮著至關重要的作用。由上可知，基于組態軟件的PLC控制系統仿真的原理就是在PLC控制系統中的繼電器狀態和組態工程軟件數據庫中的數據之間構建鏈接，同時讓該數據和計算機界面上的圖形對象構建鏈接。依舊是說，圖形對象是實現仿真效果的主要載體。以電梯控制仿真模型設計為例，在進行圖形界面設計的過程中，需要構建出電梯模型，包括轎廂、轎廂內部按鈕、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際的電梯物理模型仿真運行。設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控制系統工程，在窗口處啟動畫面開發系統程序，建立新畫面，就可以利用組態工程軟件提供的工具設備，構建具體的圖形畫面，建立相應的仿真模型。

3.3 數據庫的構造

數據庫的構造也是不能忽視的重要組成部分，在實際應用的過程中，數據庫可以存儲大量數據、建立連接，因此可以說是基于組態軟件的PLC控制系統仿真的核心。在實際應用過程中要對數據變量進行定義，從而反映出控制對象的具體屬性，從而在圖形畫面和I/O驅動程序得之間建立起必要的聯系。不僅如此，數據庫也承擔著聯系上位機、下位機的任務，從數據詞典中對數據庫變量的定義來看，可以分為內存變量以及I/O變量，內存變量不需要和其他應用程度進行交換，I/O變量則敲好相反，需要PLC控制系統中的信息數據進行變化，以此在程序運行過程中，I/O數據變量會隨著的PLC控制系統數據的變化而變化。比如：在實際應用過程中，PLC控制系統中數據的輸入輸出地址就是I/O變量，因此在設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，就可以實現I/O數據設計。以電梯PLC控制系統為例，在基本屬性頁面中輸入一樓指令按鈕，變量類型設為I/O離散，連接設備設為FX2PLC，同時對寄存器、數據類型、讀寫屬性、采集頻率計進行設計，就可以完成數據變量定義。需要注意的是，不同變量名之前的定義會存在一定的差別，需要根據實際情況進行具體分析，從而提高數據庫構造的準確性。

3.4 建立動畫連接

圖形界面設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計質量，將數據庫中的數據直接反映在圖形畫面中，通過動畫效果表現出圖形對象。在這樣的情況下，如果變量數值發生變化，那么圖形對象的變化，就會更加直觀的展現出來，將原本的靜置的圖形畫面實現仿真運行，從而實現圖形界面和物理對象的PLC雙向控制和模擬運行。以電梯運行的動畫鏈接為例，雙擊圖形界面上的圖形元件，可以彈出動畫連接這一選擇，根據圖形元件的屬性，對應具體的對象名稱以及動畫表達式。比如：電梯轎廂這一圖形元件，在實際應用過程中，可以實現垂直移動這一動作，單機垂直移動，并且對移動距離進行設置，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際效果。

表1：通信參數設置情況

3.5 控制程序編寫

控制程序也是整個仿真系統中必不可少的存在，在建立仿真圖形畫面，讓書庫和動畫連接后，還要實現動態畫面的仿真運行，編寫相應的控制命令，包括;應用程序命令語言、熱鍵命令語言、時間命令語言、數據改變命令語言、自定義函數命令語言、事件命令語言，組態王命令語言句法和傳統的編程語言相似。只需要在工程瀏覽器中找到文件，進入命令語言編輯器，輸入相應的編程語言，就可以完成控制命令編寫，對電梯進行控制，包括啟動、運行、停止等。比如：電梯門開關屬于事件命令語言，需要建立事件現階段的可執行程序，因此在編寫過程中，要對事件進行詳細的描述，包括發生、存在、消失等不同的極端，保證仿真圖形界面動作的穩定性，讓仿真界面得到全面的發展。

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，從而保證基于組態軟件的PLC控制系統的仿真工作得到真正落實，讓PLC控制系統可以在實際應用中不會出現較為嚴重的錯誤。基于組態軟件的PLC控制系統仿真需要根據實際情況進行編寫，因此在設計控制程序的過程中，還要明確具體的流程，比如：電梯在上下運行的過程中需要根據電梯轎廂所處的位置進行判斷，具體的流程如下：想要讓電梯進行上行召喚，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，然后執行上行操作。如果電梯在二樓和三樓還要根據具體的召喚樓層，執行下行召喚，同時顯示相應的電梯內容情況。

4 PLC控制系統仿真運行案例分析

由上可知，想要提高基于組態軟件的PLC控制系統仿真工作的有效性，就要在實際應用過程中，加強對控制系統的調試。通過本文分析對基于組態軟件的PLC控制系統仿真設計有了全面的了解，為了進一步驗證仿真設計的有效性，采用實際案例具體分析，PLC控制系統在組態軟件下的實際仿真運行情況。

4.1 通信參數設置

通信參數的設計極為重要關系到最終的結果的準確性，作為參數設置人員本身也要具有良好的數字反應能力，保證通信參數更加穩定可靠。參數設計可以讓仿真運行效果得到全面的設置，主要針對PLC和PC進行參數設置，在這樣的情況下，以電梯PLC控制系統為例，根據實際的設備情況完成具體設置，實現上位計算機和實際PLC系統之間的對應性。考慮到本身使用的電梯設備為三菱，具體的設計參數如表1。

4.2 系統仿真運行

在確定了具體參數的基礎上，還要進入系統仿真運行，打開PLC控制系統狀態開關，同時啟動基于組態軟件的PLC控制系統仿真系統，就能夠對電梯PLC控制系統進行調試和仿真分析。結合具體的控制流程，操作上位計算機中組態軟件模型界面圖形，就能夠實現仿真運行，觀察具體的運行情況，完成調試。比如：可以將電梯轎廂停在1樓，按動轎廂內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，如果轎廂可以關閉廂門，并且上行至2樓，還要進行進一步測驗，查看電梯是否可以上行到三樓。此外，如果想要在電梯PLC控制系統中增加輸入按鈕，還要對轎廂召喚、開關門等方面進行檢查，實現基于組態軟件的PLC控制系統仿真控制運行，檢驗電梯仿真界面的運行是否符合邏輯控制關系，實現整個仿真流程分析。通過實際實驗結果來看，整體仿真效果較優，仿真效果較好，可以保證電梯穩定運行，同時也發現了電梯運行中存在的一些問題，對細節部分進行了微調。系統運行后，數據采集卡會將信號傳送給上位機中的組態仿真程序，仿真程序就會根據型號模擬控制對象運行，形成一個完整的閉環試驗過程，在仿真過程中，對PLC控制系統程序進行了全面修改，完成仿真后，就可以立即進行現場實際的聯機調試工作，最大程度縮短了程序的檢驗時間，避免重復運動，提高檢測效率。

5 總結

綜上所述，基于組態軟件的PLC控制系統具有豐富的控制算法，在實際應用中，具有靈活高效的控制特點，可以滿足系統監控需求。如果想要控制一些較為復雜的對象，可以適當更改相應的控制算法，從而提高控制系統的開發設計價值，通過本文分析，對PLC控制系統的仿真進行了進一步羽化設計，不僅可以降低成本，同時也能夠利用組態軟件實現數據采集、監控畫面繪制、完善數據庫等方面的功能，實現創新。