基于组态软件的PLC控制系统仿真

文/曹宏娟

PLC控制系统开发过程中，需要控制软件进行现场调试，调试时间、成本都相对较高，想要克服这一问题，就要对PLC控制系统进行全面分析，让系统得到进一步完善。从当前发展现状来看，开发PLC控制系统仿真可以降低成本，并且利用仿真界面的形式对坡率控制系统进行全面的设计和调试，从根本上避免系统事故的出现。因此，加强对组态软件的利用，开发出基于组态软件的PLC控制系统仿真，具有现实意义。

1 PLC控制系统仿真工作原理

基于组态软件的PLC控制系统仿真组成结构如图1所示，在这种结构下，可以在计算机上对整个PLC控制系统功能进行调试模拟，不仅如此，在仿真状态下，可以更加直观的观察到PLC控制系统程序中存在的问题，同时有针对性的进行修正和调试，确保程序没有错误。在此基础上，开展现场实际联机测试更加稳定可靠，调试效率也会得到根本上的提高，调试费用、调试风险也会随之降低。所谓基于组态软件的PLC控制系统仿真就是将已经完成编程的控制程序下载到PLC中，并且在组态软件环境中运行开发完成的工程软件，同时运行PLC控制系统，就可以进入组态仿真过程。基于组态软件的PLC控制系统仿真的原理就是在PLC控制系统中的继电器状态和组态工程软件数据库中的数据之间构建链接，同时让该数据和计算机界面上的图形对象构建链接。在这样的情况下，PLC控制系统的输出模块和外界断开，输出的信号会通过通信线，和组态工程软件数据库中的数据进行交换，从而影响到计算机屏幕上的图形对象，以此产生相应的仿真效果。在实际应用过程中，组态软件不仅可以接收多种不同的信号，包括：数字、模拟等控制信号，同时也可以向PLC控制系统反馈数字，模拟出各种不同的信号，实现数据交换，更好的观察PLC控制系统的实际应用效果。

2 PLC控制系统设计分析

2.1 框架结构

由上可知，PLC控制系统在实际应用中具有重要作用，但是在设计开发过程中，调试工作极为重要，传统的现场调试效率较低、成本较高，因此提出了基于组态软件的PLC控制系统仿真的方式，实现模拟调试，在确保程序完全正确的基础上，进行联机调试。但PLC控制系统的设计分析也不能够忽视，在开发过程中，需要全面了解系统的主要组成模块，一般情况下，可以分为三个部分，分别为：上位计算机、接口板、PLC控制系统。比如：想要开发出一个车辆液压系统并且对系统进行检验，就要在实际应用过程中，就要对系统框架进行设计。考虑到车辆液压系统的测试内容较多没，参数较为复杂，采用组态软件完成仿真测试是最优选择。根据实际情况来看，车辆液压系统涉及到的内容较多，重点针对液压阀、液压缸这两个方面，在实际应用中需要检测这两个设备的动作顺序、行程大小、工作位置，并且采用图表的雄狮展现出液压阀、液压缸这两个方面的的压力、温度和流量等参数。一般情况下，在检测车辆液压系统的过程中会采用液气联调试验台进行检测。重点针对开关量输入和输出、模拟量输入和输出，其中开关量有16组，而模拟量则根据输入、输出分成了2组和4组，车辆液压系统中使用的PLC控制器则为FX2n-80MR。结合图2的系统框架结构来看，在仿真分析的过程中，上位计算机会将车辆液压系统中的数据进行传送和仿真计算，然后接收PLC控制系统传输的信号，提供仿真环境，完成计算机和PLC控制系统之间的全面融合。

2.2 硬件设计

在确定系统本身的框架结构后，还要对系统的硬件进行设计，硬件主要可以分为两个方面，分别为：采集卡选型、接口板设计。考虑到需要测控的信号较多，主要包括：16路输入输出开关量、2路输入模拟量、4路输出模拟量。结合信号类型和数量要求，最终选择了泓格PCI-1802H/L数据采集卡，这个型号的采集卡中含有8路差分模拟量以及2路12位模拟量输出，同时也具有16路输入输出开关量，满足车辆液压系统对信号类型、数量的要求。不仅如此，该型号的采集卡在和组态软件连接上也具有较DA的优势，可以满足系统实际设计需求。由此可知，在对PLC控制系统进行设计的过程中，需要重点考虑系统本身对信号数量和信号类型的需求。PLC控制系统中主要是通过触点断开和闭合来实现控制功能，而车辆液压系统中工作电压为DC24V，因此数据采集卡在连接时，可以进行接口电平转换，想要收32路开关量信号进行电平转换，就要使用到8个四光电藕合器TLP521-4，具体的光电隔离电路如图3所示。

图1：仿真系统结构图

2.3 控制系统

在完成基本的硬件设计后，具体分配也是十分重要的工作，对于车辆液压系统而言，并不需要进行半实物系统设计，但半实物仿真可以进一步提高系统测试的准确性，更加接近实际情况，得到具体的信息。在半实物仿真状态下，PLC控制系统还需要进行进一步的完善，其中就涉及了PLC的物理分配，在当前状态下，PLC虽然不需要接入实际的物理与案件，但也需要按照常规的控制系统进行操作，并且执行相应的原则。因此，需要确定系统中的输入输出接口，来分配物理I/O地址，图4表示的就是PLC半实物仿真控制系统。以电梯控制系统为例，是目前较为常见的最小控制系统，主要涉及14个开关量输入端口以及16个开关量输出端口。在实际应用过程中，需要控制电梯的上行、下行、开门、关门、显示屏显示等方面，因此在设计过程中，通过编程线SC-09将PC机的RS-232串口与PLC的编程口连接，在上位PC上安装King-View6.5并建立电梯控制模型，完成半实物仿真。由此可知，在设计PLC控制系统的过程中，必须要考虑到实际情况，有针对性的完成设计，保证在非实物条件下可以有效运行相应的软件。同时也认识到在不同的PLC控制系统中，想要实现半实物动态控制仿真，组态软件的应用必不可少。

3 基于组态软件的仿真程序设计

3.1 组态软件流程

图2：系统框图

图3：光电隔离电路图

图4：PLC半实物仿真控制系统

通过上文分析，对PLC控制系统有了全面的了解，但是想要保证仿真工作稳定开展，还需要对基于组态软件仿真程序设计进行全面的分析，从而在系统实际运行前，确保PLC控制系统可以实现稳定运行。组态软件最常见的形式就是上位监控计算机，借助这一设备可以实现可视化监控，更好地开展仿真运行。现阶段，国内组态软件较多，且功能较为复杂。比如：北京某科技公式开发出来的组态软件可以为PLC控制系统提供多方面的硬件驱动程序以及组态方式方法，还有数据连接等功能。从目前市面上的组态软件控制系统的情况来看，一般可以而分为三个层次，包括：控制层、监控层、管理层。监控层是是三个层次的核心关键，对上可以连接控制层，对下连接管理层，从而有效完成管理控制，实现现场实时监测、控制，让组态软件工程的开发作用得到最大程度的发挥。根据实际经验可知，基于组态软件的PLC控制系统仿真流程可以划分成四个步骤：

（1）图形界面设计；

（2）数据库构造设计；

（3）动画连接设计；

（4）运行调试设计。

根据实际情况来看，在实际应用过程中想要完全实现组态仿真，就要完成上述几个步骤。

3.2 图形界面设计

在组态软件工程中，图形界面设计具有重要作用，在仿真系统工程中发挥着至关重要的作用。由上可知，基于组态软件的PLC控制系统仿真的原理就是在PLC控制系统中的继电器状态和组态工程软件数据库中的数据之间构建链接，同时让该数据和计算机界面上的图形对象构建链接。依旧是说，图形对象是实现仿真效果的主要载体。以电梯控制仿真模型设计为例，在进行图形界面设计的过程中，需要构建出电梯模型，包括轿厢、轿厢内部按钮、门厅召唤按钮、显示元件等，虚拟的电梯模型可以有效替代实际的电梯物理模型仿真运行。设计图形界面的过程中，先要建立一个完整的工程管理器窗口，同时建立电梯PLC控制系统工程，在窗口处启动画面开发系统程序，建立新画面，就可以利用组态工程软件提供的工具设备，构建具体的图形画面，建立相应的仿真模型。

3.3 数据库的构造

数据库的构造也是不能忽视的重要组成部分，在实际应用的过程中，数据库可以存储大量数据、建立连接，因此可以说是基于组态软件的PLC控制系统仿真的核心。在实际应用过程中要对数据变量进行定义，从而反映出控制对象的具体属性，从而在图形画面和I/O驱动程序得之间建立起必要的联系。不仅如此，数据库也承担着联系上位机、下位机的任务，从数据词典中对数据库变量的定义来看，可以分为内存变量以及I/O变量，内存变量不需要和其他应用程度进行交换，I/O变量则敲好相反，需要PLC控制系统中的信息数据进行变化，以此在程序运行过程中，I/O数据变量会随着的PLC控制系统数据的变化而变化。比如：在实际应用过程中，PLC控制系统中数据的输入输出地址就是I/O变量，因此在设计变量属性的过程中，只需要在定义变量窗口输入具体的变量名，就可以实现I/O数据设计。以电梯PLC控制系统为例，在基本属性页面中输入一楼指令按钮，变量类型设为I/O离散，连接设备设为FX2PLC，同时对寄存器、数据类型、读写属性、采集频率计进行设计，就可以完成数据变量定义。需要注意的是，不同变量名之前的定义会存在一定的差别，需要根据实际情况进行具体分析，从而提高数据库构造的准确性。

3.4 建立动画连接

图形界面设计会直接影响动画连接效果，因此，在建立动画连接前，必须要保证图形界面设计质量，将数据库中的数据直接反映在图形画面中，通过动画效果表现出图形对象。在这样的情况下，如果变量数值发生变化，那么图形对象的变化，就会更加直观的展现出来，将原本的静置的图形画面实现仿真运行，从而实现图形界面和物理对象的PLC双向控制和模拟运行。以电梯运行的动画链接为例，双击图形界面上的图形元件，可以弹出动画连接这一选择，根据图形元件的属性，对应具体的对象名称以及动画表达式。比如：电梯轿厢这一图形元件，在实际应用过程中，可以实现垂直移动这一动作，单机垂直移动，并且对移动距离进行设置，然后就可以观察轿厢的动画连接情况，具体判断动画连接的实际效果。

表1：通信参数设置情况

3.5 控制程序编写

控制程序也是整个仿真系统中必不可少的存在，在建立仿真图形画面，让书库和动画连接后，还要实现动态画面的仿真运行，编写相应的控制命令，包括;应用程序命令语言、热键命令语言、时间命令语言、数据改变命令语言、自定义函数命令语言、事件命令语言，组态王命令语言句法和传统的编程语言相似。只需要在工程浏览器中找到文件，进入命令语言编辑器，输入相应的编程语言，就可以完成控制命令编写，对电梯进行控制，包括启动、运行、停止等。比如：电梯门开关属于事件命令语言，需要建立事件现阶段的可执行程序，因此在编写过程中，要对事件进行详细的描述，包括发生、存在、消失等不同的极端，保证仿真图形界面动作的稳定性，让仿真界面得到全面的发展。

3.6 控制程序流程

在完成上述几个方面以后，还要明确控制程序的具体流程，从而保证基于组态软件的PLC控制系统的仿真工作得到真正落实，让PLC控制系统可以在实际应用中不会出现较为严重的错误。基于组态软件的PLC控制系统仿真需要根据实际情况进行编写，因此在设计控制程序的过程中，还要明确具体的流程，比如：电梯在上下运行的过程中需要根据电梯轿厢所处的位置进行判断，具体的流程如下：想要让电梯进行上行召唤，就要判断电梯所处位置，同时显示电梯上行，在确定电梯在一楼时，判断召唤的楼层，然后执行上行操作。如果电梯在二楼和三楼还要根据具体的召唤楼层，执行下行召唤，同时显示相应的电梯内容情况。

4 PLC控制系统仿真运行案例分析

由上可知，想要提高基于组态软件的PLC控制系统仿真工作的有效性，就要在实际应用过程中，加强对控制系统的调试。通过本文分析对基于组态软件的PLC控制系统仿真设计有了全面的了解，为了进一步验证仿真设计的有效性，采用实际案例具体分析，PLC控制系统在组态软件下的实际仿真运行情况。

4.1 通信参数设置

通信参数的设计极为重要关系到最终的结果的准确性，作为参数设置人员本身也要具有良好的数字反应能力，保证通信参数更加稳定可靠。参数设计可以让仿真运行效果得到全面的设置，主要针对PLC和PC进行参数设置，在这样的情况下，以电梯PLC控制系统为例，根据实际的设备情况完成具体设置，实现上位计算机和实际PLC系统之间的对应性。考虑到本身使用的电梯设备为三菱，具体的设计参数如表1。

4.2 系统仿真运行

在确定了具体参数的基础上，还要进入系统仿真运行，打开PLC控制系统状态开关，同时启动基于组态软件的PLC控制系统仿真系统，就能够对电梯PLC控制系统进行调试和仿真分析。结合具体的控制流程，操作上位计算机中组态软件模型界面图形，就能够实现仿真运行，观察具体的运行情况，完成调试。比如：可以将电梯轿厢停在1楼，按动轿厢内2楼召唤按钮，观察轿厢是否可以按照具体控制流程完成操作，如果轿厢可以关闭厢门，并且上行至2楼，还要进行进一步测验，查看电梯是否可以上行到三楼。此外，如果想要在电梯PLC控制系统中增加输入按钮，还要对轿厢召唤、开关门等方面进行检查，实现基于组态软件的PLC控制系统仿真控制运行，检验电梯仿真界面的运行是否符合逻辑控制关系，实现整个仿真流程分析。通过实际实验结果来看，整体仿真效果较优，仿真效果较好，可以保证电梯稳定运行，同时也发现了电梯运行中存在的一些问题，对细节部分进行了微调。系统运行后，数据采集卡会将信号传送给上位机中的组态仿真程序，仿真程序就会根据型号模拟控制对象运行，形成一个完整的闭环试验过程，在仿真过程中，对PLC控制系统程序进行了全面修改，完成仿真后，就可以立即进行现场实际的联机调试工作，最大程度缩短了程序的检验时间，避免重复运动，提高检测效率。

5 总结

综上所述，基于组态软件的PLC控制系统具有丰富的控制算法，在实际应用中，具有灵活高效的控制特点，可以满足系统监控需求。如果想要控制一些较为复杂的对象，可以适当更改相应的控制算法，从而提高控制系统的开发设计价值，通过本文分析，对PLC控制系统的仿真进行了进一步羽化设计，不仅可以降低成本，同时也能够利用组态软件实现数据采集、监控画面绘制、完善数据库等方面的功能，实现创新。