胶印机PLC与HMI信号接口的框架研究

陈贤国， 陈格云， 顾佳琪， 李明华

（上海光华印刷机械有限公司，上海200436）

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一种集控制、操作和监控功能于一体的综合工业控制器。它以其自身所具有的模块化结构、智能化功能和运行可靠等特点在工厂自动化（Factory Automation，FA）的整个控制过程中引领先进的控制技术。PLC的优点在于“可”字：从软件上讲，它的程序可编，也不难编；从硬件上讲，它的配置可变且也易变［1］。

集智能化、信息化、人性化友好操作于一体的人机界面（Human Machine Interface，HMI）是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介。作为操作和监控的上位机，可以完成PLC与操作者之间友好的交互，负责用户的操作输入、设备的参数设定与修改以及在线实时监控等［2］，是一种使用户使用方便、提高效率、维护方便以及服务增值等自动控制最佳解决方案之一。

基于PLC和HMI组合的控制系统已经越来越多地应用于多色印刷机等工业领域。印刷机作为一种精度较高的机械设备，其智能化的控制、傻瓜式的操作是未来发展的总趋势。对于自动化控制系统而言，硬件是基础，软件是灵魂。在了解了被控对象的控制要求之后才能进行整个控制系统的软件设计与编程［3］。

PLC和HMI两个用户程序需要各自独立编制，在编写各自的控制程序过程中，PLC与HMI之间需要建立彼此信息的交互应答，这种用于信息交互的媒体称为信号接口［4］。以往PLC和HMI的信号接口地址一般没有明确的约定，在编写控制程序的过程中，每个信号接口往往需要临时约定而没有规律可循，使得编程的效率大大降低，不利于用户对程序的解读与理解，更不利于用户对产品的使用与维护。

为此，将印刷机控制／采集信号大致分为输纸、色组和收纸3大部分。本文分析研究了PLC与HMI之间准确而又有效的信息交互所需接口信号内容，对其在PLC存放的存储器地址进行了有规律可循、合理而有效地分配并明确定义，为PLC和HMI用户控制程序的模块化编制、提高编程效率创造了有利条件。产品控制程序编制不仅仅使编程者理解就够了，更主要的目的是能方便用户解读与理解，只有这样才有利于用户对产品的使用与维护。

在编写程序过程中，使用已明确规定的信号接口地址时还须注意理解这些已被定义的地址具有方向性。正确理解接口信号的方向性对编制控制程序十分重要。

以富士PLC高性能CPU（NP1PS－32）和具有可编程操作显示器（Programmable Operation Display，POD）的HMI在单张纸印刷机上的应用为例，对其信号接口框架进行了研究，并规定信号接口地址变量名的命名规则。

1 信号接口地址分配

富士PLC高性能CPU存储器区域容量分配如表1所示。

用于系统内部使用的辅助继电器在直接寻址的模式下以“%M□1…”的形式表示在存储器中的地址。用X，W或D替换□，其中X的数据类型为位，W的数据类型为字，D的数据类型为双字。

表1 富士PLC高性能CPU存储器容量分配表

对于高性能CPU标准存储区的大小可以调整，但用户存储区总的字数是不变的。由表1可知，标准存储区的首地址开始2K个字是CPU数据访问的高速处理区，其大小固定不变。考虑到NP1P－74和NP1P－117两款高性能CPU存储器容量都包含了NP1PS－32，根据NP1PS－32高性能CPU每个存储区定义的默认容量以及通常对印刷机所要求处理的信号，对PLC与HMI信息交互的接口信号进行了分类，并对信号接口地址进行了有规律可循的分配。这样，高性能CPU（NP1PS－32）的接口信号地址同时可以满足另两款不同的高性能CPU，接口信号地址的大致分配范围如表2所示。在表2中：

表2 接口信号地址分配

（1）高速处理区分别处理色彩控制器HMI软控键、本机HMI软控键以及HMI可读取PLC所使用的辅助继电器状态信号。其中，色彩控制器是属于胶印机印前关键设备之一，一般其可以直接参与对胶印机的电机调整与监控。表中“＊”可以取0～9。保持存储器在失电后存储的数据由系统内部电池保持而不被丢失，再通电后仍保持原来的数据；而非保持存储器在失电后存储的数据会丢失，再通电后数据清为零。

（2）在保持存储器的地址%MW3.1＊00～%MW3.1＊99中“＊”表示胶印机的色组号1～8。每个色组分别被分配存储区100个字，即%MW3.1100～%MW3.1199对应第1色组的数据存储区。对每个色组而言，尽管通过HMI写入数据的存储器地址是不同的，但在编写或解读程序时确能比较有规律可循。保持存储器%MW3.1000～%MW3.1099和%MW3.2＊00～%MW3.2＊99暂未定义，考虑用于双面胶印机另一面所要读取或写入数据的存储地址。

（3）保持存储器的地址%MW3.4000～%MW 3.4095主要用于HMI设备对机器特定的数据设定与修改。只有印刷机制造商才有权限通过HMI进行数据设定，如重要数据的修改（浮点数）、模块化程序的调用（位）以及对程序的加密（整数）等。

2 接口信号定义

基于PLC和HMI的印刷机控制系统的交互信号主要分为飞达、收纸、色组和HMI设备4部分。接口信号的交互形式分类可分为2种，即HMI读取PLC信号状态、存储区数据的接口信号，HMI软控键按钮信号和写入PLC存储区数据的接口信号。

根据所控制对象需要HMI软控键信号状态一般分为瞬时和保持2种。瞬时的软控键接口信号定义在高速存储区，保证该瞬时信号的响应时间。保持的软控键接口信号利用保持存储器的特点直接定义在保持存储区。

部分HMI软控键信号接口、HMI读取数据的信号接口以及HMI写入数据的信号接口的内容定义分别如表3～5所示。

表3 HMI软控键信号接口（HMI→PLC）

表4 HMI读取数据信号接口（PLC→HMI）

表4～5中△表义定义内容略，内容定义中没有对%MW3.0000～%MW3.0099中的位“0”作定义，随后的位就可以同时表示相应色组的位信号接口，有规律可循便于对PLC／HMI控制程序的编制和解读。

3 信号接口地址命名

绝对地址是用来区分信号，表明事先给信号分配1个在系统存储区域中特定的存储位置，以便CPU能访问在存储区域中的信号［1］。

表5 HMI写入数据信号接口（HMI→PLC）

给绝对地址赋予一个有含义的变量名（富士PLC）称为变量地址。变量可以分为全局变量（共享）和局域变量两种。全局变量表示在整个用户程序中是有效的，而且是惟一的；局域变量仅仅表示在程序结构单元（Program Organic Unit，POU）这个程序中有效，且惟一。而在不同的POU程序中可以有相同的局域变量名；因此，在整个用户程序中不是惟一的。

注释就是给予地址或变量更进一步的详细描述，在程序中不是惟一的。

根据富士PLC程序中地址显示的特点，给PLC／HMI用户程序中信号地址赋予的变量名命名进行了约定。

（1）数字／模拟输入输出变量名命名规定

① 数字量输入变量名命名

② 数字量输出变量名命名

③ 模拟量输入变量名命名

④ 模拟量输出变量名命名

（2）存储器地址变量名命名规定

①HMI→PLC位接口信号地址变量名

②HMI←PLC位接口信号地址变量名

③HMI→PLC写入数据存储器地址变量名

④HMI←PLC读取存储器地址变量名命名

4 结 语

本文对基于PLC和HMI的胶印机控制系统信号接口的框架进行了研究，初步完成了胶印机PLC和HMI交互的接口信号分类以及对信号接口地址进行了有规律可循的分配，为以后的实际编程应用打下了基础。今后，还有待在实际应用过程中不断趋于合理与完善。对胶印机控制系统信号接口的框架研究将有助于扩展应用到其他不同的可编程控制系统，尽管其CPU的存储器容量、范围会有所不同。同时，将对其研究的想法、思路与同行共享，有助于推动未来自动化印刷柔性控制技术的进一步发展。

［1］陈贤国.数控机床PLC编程［M］.北京：国防工业出版社，2010：3.

［2］薛迎成.PLC与触摸屏控制技术［M］.北京：中国电力出版社，2008：41.

［3］关玉明，王 欢，肖艳春，等.PLC在印刷机间隙调整控制系统中应用［J］.微计算机信息（测控自动化），2008，24（10－1）：6－7.

［4］王 刚.数控机床调试、使用与维护［M］.北京：化学工业出版社，2006：22.