基于PLC自動生產線仿真平臺研究

崔晨耕

(西安航空職業技術學院 自動化工程學院，陜西 西安 710000)

0 引言

隨著我國自動化生產大范圍普及，且伴隨著生產線智能化，涉及的工程技術種類多，在生產系統研發過程中，需要運用到機械和電氣自動化、工程管理程序設計、電子通信技術等方面專業技術。施工程序設計在整個自動化系統中占有重要的地位，程序設計的正確性直接影響最后自動化結果準確性，因此，針對自動化生產過程中設計的時序性有必要在自動化控制中進行計算并驗證[1-2]。本文基于PLC自動化仿真平臺，對平臺的數據進行分類提取，并根據數據的實時性和時序性進行驗證，在該平臺中的數據運行之前，可以對自動化仿真平臺的數據進行預評估，提供科研人員對平臺設計時序性的需求，結合設計需要對仿真平臺進行優化并改進，從結構模塊建設、基于PLC信號交互設計、數據分類計算對計算機仿真平臺進行了研究，結合任務需求完成PLC仿真平臺數據驗證[3-5]。

1 自動生產平臺設計分析

自動化生產平臺過程中涉及的專業種類多且復雜，針對平臺的開發研究，需要運用到機械工程制造、電氣自動化和圖紙平面設計。自動化平臺設計結合生產工藝流程，是自動化生產的主要環節，基于PLC程序設計是根據平臺規劃圖紙，涉及的平臺結構搭建、自動化軟件編程已達到標準要求，但針對PLC軟件設計還處于基礎調試階段，這樣會導致實際生產中的精準性和時效性的校對遠低于設計標準，并且在驗證中運用的時間較長，在核對過程中，若發現設計方案與初始的預計方案不符合時，需要將各個部件的組成方式以軟件的時序性進行重新分析，并且生產系統運用的數學模型和物理模型需進行重新構建使自動化平臺生產的周期延長[6]。為降低自動化生產平臺生產和設計的時長，減少設計過程中多余且繁瑣的環節，自動化生產平臺在沒有實際場地保證的前提下，對目標物體的設計和研發階段在自動線上基于PLC進行模型構建，運用PLC自動化仿真平臺時序性的程序設計，運用仿真模型和實際模型做對比，驗證基于PLC實驗平臺的實際模型與理論構建模型相似度，達到對自動化生產平臺的設計和開發[7-9]。完成基于PLC自動化仿真平臺設計，按照生產模式需要完成以下步驟。

1.1 構建仿真平臺驅動單元

基于PLC仿真平臺的驅動單元包含2個部分：一部分是模型構建單元傳感器的輸入模塊，另一部分是以PB點為驅動的輸出模塊[10]。以單元模型構建為基礎，將PLC時序性的程序作為輸入指令，模塊單元的程序時間作為輸出指令，指令結構可以通過實驗平臺搭建的方式獲得，并根據以上的方式實現仿真平臺模型構建。PLC仿真平臺構建如圖1所示。

圖1 PLC仿真平臺構建

1.2 仿真平臺與PLC程序對接

基于PLC自動化仿真平臺通信單元的接口是根據信號交互協議完成與平臺單元模塊功能信息的時效傳輸，自動化仿真平臺不僅具有在PLC模塊單元之間傳輸的功能，同時還具備對各類單元模塊以實際反饋效果進行數據更新的功能。PLC程序信息交互如圖2所示。

圖2 PLC程序信息交互

根據自動化仿真平臺各個模塊的功能結構進行平臺仿真的可視化設計，結合模塊單元的參數組成和集成單元的技術參數，結合平臺結構功能組成的相互聯系，采用國際通用的設計標準，對基于PLC自動化仿真平臺的可視化采用標準的層次結構進行設計，仿真平臺可視化可以有效提高工作人員在自動化平臺的信號處理。

2 自動化系統模塊

自動生產線仿真平臺是基于PLC程序設計而成的，該程序在自動化工藝設計方面具有較高的精密性，驗證PLC實時程序在仿真平臺是否正確，需要將程序在實驗平臺進行運用，若平臺反饋的結果有錯誤，PLC驅動程序的機械部件在平臺運轉過程中會發生錯誤碰撞，會導致自動化程序無法達到設計要求，但該方法的驗證周期長，程序繁瑣[11-13]。因此有必要針對設計出現的問題來解決PLC程序在仿真平臺的正確性，運用整體的結構性來滿足程序在仿真平臺是否符合規范要求。

涉及到實際工業生產中，不能有效避開整體裝備和裝備之間零部件的結構影響，且平臺內部結構的小零部件具備相關的聯系性，采用線性結構的正態分布法，對計算結果進行回歸分析，隨機變量模型可以有效處理在實驗平臺的隨機變量，并使模型隨機變量參數的疊加結果更貼近實驗過程，實驗結果在運用變量模型的基礎上更具有時效性，結合以上參數變量在自動仿真平臺應用，選取隨機變量模型運用到實驗平臺中。

自動化智能生產線系統包含有輸出和輸入2種系統，機器的荷載在2種系統中的作用效果是相輔相成，且結構形式是相互獨立的，自動生產線軸距動量的計算式為式(1)。

(1)

式中，JP為生產線軸距動量;W為生產線的自重;D為轉動輪的直徑。

自動生產線負載的計算式為式(2)。

(2)

式中，JB為生產線軸距動量;W為傳輸帶設備質量;P為傳輸帶結構扭矩。

自動生產線加速荷載的計算式為式(3)。

(3)

式中，J1為生產線加速動量;J2為加速帶荷載的動量;i為荷載比。

通過以上計算電機所帶的負載慣量，將其作為電機系統單元模型自變量。本章中所構建的時序響應模型，其自變量與因變量如表1所示。其中，自變量含有電機基本信息、負載慣量信息與運動指令信息[14]。

表1 自動生產線單元模塊變量

結合以上自動生產線軸距動量、自動生產線負載和自動生產線加速荷載的計算式，將自動生產系統的模塊單元作為自變量，根據實際生產需要對每一項變量進行取值，該自變量包括電動機的轉速、電動機的加速荷載等變量。

3 PLC程序信息交互

3.1 PLC單元結構

使用者可根據PLC程序設計進行設備單元內部信息交互，在很多的存儲設備中為使用者提供了信息寫入單元和輸出單元結構，可以在PLC程序中進行數據存儲編寫，為特定的程序環境編寫代碼實現存儲器的寫入、對比和輸出[15]。結合程序寫入的不同的路徑對存儲器的參數進行調整，完成以不同方式對存儲設備的改變?；赑LC自動化生產線仿真平臺需要在存儲器的核心部件劃分等量的存儲結構，并對每一個結構單元設定該存儲的編寫代碼，對PLC單元中的數據重新提取并設定相應的數值，自動化運轉系統參數如表2所示。

表2 自動化運轉系統參數

3.2 PLC仿真程序

自動生產線仿真平臺是基于PLC實時程序設計而成，在該平臺進行的信號交互是依據Modbus TCP/IP ADU的規程，該規程是以信號交互數據編碼為基礎，實現數據在硬件系統內進行實時傳輸，如圖3所示。

圖3 信息通訊協議結構

MB/AP報頭文、功能碼和數據鏈接共同組成該系統內的主要結構，在數據輸入和信息輸出中起到校對作用，為信息交互的正確性提供保障。

在仿真平臺PLC信息交互中包含2個端口：主站設備客戶端和從站設備服務端。在主站設備客戶端中，仿真平臺發出信號請求，通過請求報文的形式傳輸到從站設備服務端，該端口接受到主站設備的報文請求，在端口結構內進行特定功能碼分析并作出相應數據，數據結果以應答報文的形式傳輸到主端口，主站設備客戶端結合報文接受的反饋形式作出應答，這樣就完成了報文信息從主站設備到從站設備的一個循環。仿真平臺信息交互處理如圖4所示。

圖4 仿真平臺信息交互處理

主站設備客戶端和從站設備服務端是硬件設備不可或缺的組成結構，該功能可以實現對接受消息每一幀的識別，并對反饋信息進行重新傳輸，達到設備信息傳遞的時效性。信息儲存功能由每個字節組成，常用的從設備存儲器中讀取的信息編碼如下。

信息編碼為05時的請求內容如表3所示。

表3 信息編碼為05時請求內容

信息編碼為05時的接收內容如表4所示。

表4 信息編碼為05時接收內容

自動化仿真平臺和PLC信息交互技術是根據Modbus TCP/IP ADU規程，數據設備客戶端在源頭采集信息并對數據類型進行識別，在數據傳輸過程中對每一類數據標識，根據信息交互過程中的協議編碼，對端口采集的數據采用編碼識別來確定信息碼，每一幀數據的起始位置都是固定不變，傳輸中以存儲位數不同區分傳輸內容。

4 總結

本文結合設計需要對仿真平臺進行優化并改進，從結構模塊建設、基于PLC信號交互設計、數據分類計算對計算機仿真平臺進行了研究，結合任務需求完成PLC仿真平臺數據驗證。根據PLC程序設計進行設備單元內部信息交互，在PLC程序中進行數據存儲編寫，為特定的程序環境編寫代碼實現存儲器的寫入、對比和輸出，驗證基于PLC實驗平臺的實際模型與理論構建模型相似度，達到對自動化生產平臺的設計和開發。