PLC测控系统下的计算机仿真平台

马守东， 马 毓

(1. 南京工程高等职业学校，江苏 南京 211135； 2. 辽源职业技术学院，吉林 辽源 136200)



PLC测控系统下的计算机仿真平台

马守东1， 马 毓2

(1. 南京工程高等职业学校，江苏 南京 211135； 2. 辽源职业技术学院，吉林 辽源 136200)

本文通过对PLC测控系统的结构及工作原理进行分析，掌握了其实际工作流程，之后以此为基础对PLC的计算机仿真系统进行了总体布置，并分别确定了其各部分的组成及功能。文章分别对仿真系统的PLC和电路搭建两个部分的仿真实现作了较为详细的论述。最后，文章就一个水塔水位自动控制系统为例进行了仿真分析，并以仿真所得结果论证了仿真系统的有效性。本文所做的研究可以为相关理论分析和实际应用提供参考。

PLC控制； 计算机仿真； 梯形图程序； 用户指令

0 引 言

自1969年研制出现至今，PLC在全球工业领域范围内得到了迅速发展和广泛应用。在取得积极成绩的同时，在应用过程中也出现了很多问题，这主要表现在：① 为使产品在实际现场的操作、运行、维护、应对突发情况等方面都表现出优异性能，要求在PLC系统在调试阶段通过多种模拟工况的检测，但PLC的实际工作现场较为复杂，不仅造成安装调试周期长、成本高，而且在为客户展示系统运行状况的环节也多有不便；② 随着PLC内部程序趋于复杂和庞大，需要越来越多的编程人员参与进来，这样在程序的检查、校验以及最终汇编环节极易产生混乱，影响协同设计、延缓开发周期[1]。

针对以上问题，本文拟设计一种行之有效的软件系统，基于计算机平台完成对PLC的设计、编程、实现、调试的整个环节的仿真模拟，以便经济、高效、安全地实现PLC系统开发。文章可以为相关的理论研究和实际应用提供参考。

1 PLC系统分析

1.1 PLC的工作原理

PLC的硬件组成包括：CPU、存储器、I/O接口以及电源。PLC工作所呈现的一个最大特点就是“扫描式”，这主要是由CPU对操作的一一执行特性所决定的，每一个经过扫描的操作功能在解算完成后，其结果都可以被后续的扫描功能所利用。这种工作方式不仅简单易操作，且易于编程和自查。

在实际进行分析时，PLC的工作过程在一定程度上可以与梯形图程序执行过程(顺次扫描输入点状态→解算控制逻辑→依次向对应输出点发出控制信号)对应起来进行理解，另外再加上每个扫描周期内的故障自查和应对处理以及与外部的通信等环节，大致可以分为以下5个环节[2]：

(1) 故障自查。PLC在每次“扫描”之前都要对其各个硬件总成进行故障自查，一旦发现问题随即转入处理程序，保留现状并停止输出，停机并出示故障信息。

(2) 响应处理。在系统自查完成无误后，PLC便开始扫描通信接口，接收通信请求并响应处理。例如在扫描编程器时，主机接收编程器的相关指令(运行、停止、清内存等)及参数修改进行相应操作，并将显示状态、数据参数、错误代码对编程器进行相应指示。

(3) 输入。在完成以上工作后，PLC既开始扫描并读入各个输入点的状态和数据并形成内存映象，该映像内容维持一个扫描周期不变直至下一个周期输入新的采样，且将所存储的映像作为解算用户逻辑的输入值。

(4) 执行。PLC执行用户程序是根据存储器地址由低到高的顺序来进行的(在无跳转的情况下)，在对程序进行解算的过程中所用到的定时器、内部继电器、计数器等采用存储单元的即时值，而输入、输出继电器则采用内存映象值。

(5) 刷新。在扫描刷新的过程中，前一次的扫描解算结果会被后一次所替代，完成输出刷新。各次解算所得的输出信号会逐条存入输出信号寄存表，全部解算完成后输出信号被统一送至输出模块，完成程序对应的动作。PLC工作过程中的输入、输出处理流程如图1所示。

本文所提出的仿真系统将以上述的PLC的工作原理为依据进行设计。

1.2 PLC仿真系统总体布置

1.2.1 PLC仿真系统功能确定

PLC控制系统较为复杂，本文在仿真软件的设计时，着重以实现PLC内部工作情况的说明以及外部电路的解释作为工作重点，并选择在国内应用较为广泛的日本OMRON公司的开发生产的CPM系列产品中的CPM1A-30CDR作为仿真系统样品。为了实现仿真的整体性、有效性，需在仿真软件的功能设计过程中做到以下方面[3]：

图1 PLC工作过程中的输入、输出处理流程

(1)全面、详尽地完成对PLC 梯形图程序的执行指令说明，以提高仿真系统的准确性和适用的范围；

(2)在仿真系统的兼容性以及元器件的模块化等方面深入研究，使系统能够对多种PLC系统进行模拟，并且有功能多样的元器件便于用户自由组合使用；

(3)系统在人机交互方面要做到操作简单和界面友好，用户可以方便地进行梯形图程序的编写以及所需电路的搭建，另外系统要预留一定的扩展接口，以便于功能的延伸和后续的开发。

1.2.2 PLC仿真系统组成

根据上述功能分析，本文将仿真系统分为PLC、电路以及控制系统3个部分，以下一一进行说明[4]：

(1) PLC部分作为系统核心，主要提供给用户编程界面、编程元件(包括触点、线圈、功能指令等)以及编程语言(指令表)以便于后者完成梯形图程序的编写。用户通过用户名和密码登录进入系统后，即可选择进入PLC程序的编辑部分，当梯形图程序编好之后，PLC部分即对所有指令进行一一解释并判定编写正确与否，确定无误后出示控制面板，用户可通过控制面板上的开关按钮，观察编程元件的显示情况，鉴别程序的逻辑正确性。

(2)在元器件定义界面上，用户可根据需要自行设定元器件的形状、尺寸、规格、型号等，编辑完成后，该元器件会以.elc格式在库中，方便以后使用。之后，用户即可选择已有元器件在电路编辑器中进行操作。除一般电路之外，可将PLC视作一个已定义好的元器件，来搭建其外部电路，最后通过I/O接口将各个元件相连构成整个控制系统。点击“运行”按钮对控制电路进行操作，从输出结果即可判断电路的逻辑对错。

(3)在控制对象部分，仿真实验的结果将通过结果显示器以动画模拟的方式展示出来，从结果中用户可以判断程序逻辑功能。主要流程为：将运算所得的PLC及各外部设备的状态值传送至PLC→PLC进行梯形图解运算并输出结果→控制对象动作(动作的同时实时检测并刷新其状态，并反馈控制对象的动作)。

2 PLC部分仿真实现

2.1 梯形图指令解释实现

在特殊指令解释时，需要将起始和终止共两次的扫描状态进行对比，来最大限度地保证其正确性。具体操作时可选用两个虚拟内存条，并引入“备用堆栈”和“备用结果寄存器”来保存起始扫描的计算结果，以及“堆栈”和“结果寄存器”来保存结束扫描的算结果，以下进行具体说明：

(1) 常开(及常闭)触点的实现流程。取出触点内存地址→将结果寄存器中的现有数据放入堆栈→将地址值(常闭触点则取反)放入结果寄存器；

(2) 线圈作用的实现。将结果寄存器中的值输出至分别起输出、辅助、保持作用的“继电器”内存地址中。

触点和线圈的指令实现流程如图2所示。

图2 触点和线圈的指令实现流程

2.2 梯形图程序运行实现

仿真系统通过梯形图程序的运行并根据其转化后的指令语句，即可实现对真实PLC控制系统的模拟。各输入点的状态被依次扫描，并由系统软件中用户编制的程序进行逻辑解算进一步转化成指令进行执行，指令的执行结果可以被后续待扫描的指令所利用，然后依次对应向各输出点发出控制信号。

梯形图程序运行的流程为：在梯形图编辑器中，用户点击“运行”按钮→触发系统定时器→系统初始化内存地址(常开触点置零，常闭触点的定时器及计数器清空)→逐一扫描各元器件并同时进行其指令解释→直至该条指令结束→自动进入下一条指令的扫描→直至用户点击“停止”按钮[5]。

3 电路搭建部分仿真实现

在仿真系统中，本文通过在软件中设置元素来模拟元器件，这里以设置通用继电器的模拟元件为例来进行分析。在元器件编辑器中，用户可以在两个菜单中分别选择元器件(如继电器、开关按钮、接触器、熔断器、电磁阀、限位开关、电铃、传感器以及声光指示装置)以及对应的元器件元素(如线圈、接线柱、触头、连接线以及保险丝等)。在通用继电器设计初始，用户须通过定义边框确定元器件大小，然后设置线圈及接线柱并用连接线连接，并设置一动一静两个触头以及若干开关，设置完成后即可点击生成一个通用继电器。

在对电路进行仿真之前，还需要对电子元器件进行解释，这里仍以通用继电器为例来说明解释的原理和过程，由于电路解释时需要即时刷新，这会导致电路中元件的动作之间产生相互影响，本文这里引入“树”的概念来解释电路，通过将电路中的元器件作为单个节点加入到“树”中，用户在设置时，可首先新建“树”，接着清空“树节点(元器件)”的状态，然后对各节点进行循环检查，当发现控制电路不通时停止循环，最后遍历节点并给出各元器件输出值[6-8]。

在对支路的循环检查过程中，当出现接线柱节点时，若其为根节点则继续扫描，否则表示该支路扫描结束，其流程如图3所示。

图3 支路扫描结束判定流程

4 应用实例分析

4.1 实例情况说明

基于以上论述，本文这里选择水塔水位控制系统作为仿真实例，对仿真系统的建立过程进行说明，并通过在仿真环境中进行测试来论证仿真系统的实用性。

水塔水位控制系统是通过PLC自动控制来实现水塔自动进、出水，系统中主要的元器件包括液面传感器、电磁阀、PLC 控制器以及电动机。

图4所示为水塔水位自动控制系统示意图，其动作流程为：当水池水位低于水池低水界时，液面传感器使S3开关接合(ON)，YV电磁阀门打开，水池开始蓄水。水位高于低水位界时， S3开关 断开(OFF)。当水位升高到高于水池高水位界时，液面传感器使开关S4开关接合(ON)，YV阀门关闭，水池停止蓄水。

水塔水位低于水塔低水位界，液面传感器使S2开关接合(ON)，若此时S3为断开状态，则电动机M 运转，驱动水泵抽水。水塔水位上升到高于水塔高水界时，液面传感器使S1开关接合(ON)，电动机M停转，水泵停止工作。

图4 水塔水位自动控制系统示意图

4.2 系统仿真实现

从以上分析可见该控制系统的工作原理，可以看出系统可通过相关元器件实现水塔和水池上、下限水位调节和水塔放水等功能。基于此，本文做以下仿真设计：

(1)将实例控制系统的PLC程序设计并下载到仿真电路设计的PLC中。

(2)以实时水位、水位上限及水位下限作为变量，根据上节所述的系统工作原理对应编制液位上升和下降函数，以模拟真实的水池和水塔液位变化。

(3)在仿真系统中设置6个可供用户自行定义和更改的控制单位，并将它们分别与水塔和水池的高、低液位传感器以及电动机和电磁阀的开关共6个元器件相对应。

在仿真系统的对话框中，首先设置水塔和水池的水位标识，可分别用“L”、“M”、“H”对应表示实时水位“低于低液位传感器”、“高于低液位且低于高液位的传感器”、“高于高液位传感器”的三种状态，在另外一个对话框中，用户可在输入框中点击选择已经在电路编辑器中编辑好的输入、输出量与真实控制系统中的6个实际元器件相对应。

在完成所有的设置之后，既可以运行仿真系统并通过观察模拟结果判断PLC的程序正确与否以及电路是否搭建正确。经过观察，在仿真系统运行期间各环节控制动作正确，基本能够实现水池水塔自动控制系统的实际功能。

5 结 语

为减少PLC产品的研发周期及成本，本文在对PLC的工作原理及流程进行分析的基础上，设计了PLC系统的计算机仿真平台软件。通过对PLC控制系统的工作原理进行分析，掌握了其各组成部分的特性以及仿真需注意的要点，并以此为基础对PLC的计算机仿真系统进行了总体布置，并分别确定了其各部分的组成及功能。

文章以一个水塔水位自动控制系统为例进行了仿真分析，并以仿真所得结果论证了仿真系统的有效性。由于篇幅等各方面的原因，本文仅对PLC及其仿真系统中的几个重要环节进行了分析，在今后的研究中还需要进一步完善对PLC的功能仿真，并进一步实现仿真系统和真实系统的联接。

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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

吉林省自然科学基金(20101505)

马守东(1973-)，男，江苏连云港人，讲师，研究方向：网络方向。E-mail：mayu162@163.com；1135202626@qq.com

TP 319

A

1006-7167(2015)05-0075-04