褚淵博, 唐云龍

(石家莊鐵道學(xué)院機(jī)械工程分院,河北石家莊 050043)

0 引言

控制論是與相對論、量子論并駕齊驅(qū)的 20世紀(jì)三大偉績之一。近年來,應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的各種器件得到了很好的發(fā)展,其中 PLC作為核心控制器、觸摸屏作為人機(jī)對話窗口成為開發(fā)控制系統(tǒng)不可或缺的設(shè)備,然而二者的價格卻很高,對于一般個人、部分經(jīng)費(fèi)緊張的高校實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)代化企業(yè),往往不能大量購買,不利于學(xué)習(xí)者對該項(xiàng)技術(shù)的深入理解。

介紹利用日本三菱公司的GX Developer、GX Simulator、GTDesigner2及GTSimulator2系列軟件開發(fā)交通道口信號燈控制系統(tǒng)的過程,僅一臺 PC機(jī)而不需其他任何硬件設(shè)備就可以自己開發(fā)控制系統(tǒng),通過運(yùn)用計(jì)算機(jī)對系統(tǒng)運(yùn)行過程進(jìn)行仿真,對出現(xiàn)的各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析,找出設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn),并對所研究的交通道口信號燈控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。待程序仿真調(diào)試好之后,覺得可行,再將其應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)備使用,可大幅降低人員培訓(xùn)和設(shè)備維護(hù)成本。

1 系統(tǒng)仿真總體方案

利用三菱公司的GX Developer、GX Simulator、GTDesigner2及GTSimulator2系列軟件開發(fā)工業(yè)控制系統(tǒng)流程如圖1所示。

以下就以交通道口信號燈控制系統(tǒng)為例,介紹 PLC、觸摸屏仿真軟件在控制系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用。

1.1 控制要求

(1)信號燈系統(tǒng)由一個按鈕控制其啟動,一個按鈕控制其停止,一個按鈕對其參數(shù)進(jìn)行修改,一個按鈕執(zhí)行緊急車輛通行信號燈控制。

(2)主支干道上下兩側(cè)各有車流方向信號燈三套,分別為左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎和直行;人行橫道信號燈兩套,共計(jì) 20套,每套信號燈裝置上分別有紅、黃、綠信號燈各一個。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

(3)信號燈控制一個循環(huán)分為四類,主干道右轉(zhuǎn)與支干道左轉(zhuǎn)(MR-SL)、主干道直行和支干道人行橫道行走(MD-SH)、主干道左轉(zhuǎn)與支干道右轉(zhuǎn)(ML-SR)、主干道人行橫道行走和支干道直行(MH-SD),每個類別中又包含紅(R)、黃(Y)、綠(G)三種狀態(tài)。

(4)MD-SH、ML-SR、MH-SD紅燈亮,同時 MR-SL綠燈亮,維持 12 s后,再閃爍 3 s后熄滅,然后 MR-SL黃燈亮 3 s后熄滅。接著 MR-SL紅燈亮,MD-SH綠燈亮。

(5)MD-SH綠燈亮,維持 15 s后,再閃爍 3 s后熄滅,然后MD-SH黃燈亮 3 s后熄滅。接著 MD-SH紅燈亮,ML-SR綠燈亮。

(6)ML-SR綠燈亮,維持 12 s后,再閃爍 3 s后熄滅,然后ML-SR黃燈亮 3 s后熄滅。接著 ML-SR紅燈亮,MH-SD綠燈亮。

(7)MH-SD綠燈亮,維持 12 s后,再閃爍 3 s后熄滅,然后MH-SD黃燈亮 3 s后熄滅。接著 MH-SD紅燈亮,MR-SL綠燈亮。交通信號燈按以上方式周而復(fù)始地工作[1]。

1.2 I/O分配及編程元件編號

交通信號燈 PLC控制輸入輸出點(diǎn)分配表如表1所示。

1.3 控制系統(tǒng)接線圖

交通信號燈 PLC控制系統(tǒng)接線圖如圖2所示[2]。

1.4 PLC程序的編寫及測試

三菱 GX Developer和 GX Simulator軟件集成在一起,代替PLC硬件仿真運(yùn)行用戶程序,可模擬 PLC絕大多數(shù)功能:①模擬PLC過程映像輸入輸出,通過在仿真窗口改變輸入變量的 ON/0FF狀態(tài),控制程序運(yùn)行,觀察輸出變量狀態(tài),監(jiān)視用戶程序運(yùn)行結(jié)果。②監(jiān)視定時器和計(jì)數(shù)器,通過程序自動運(yùn)行或者手動復(fù)位定時器。③模擬對位存儲器(M)、外設(shè)輸入(X)、外設(shè)輸出(Y)的讀寫。④在沒有面板情況下,和 GTDesigner2及 GTSimulator2系列軟件等聯(lián)機(jī)通信,模擬調(diào)試畫面[3]。

表1 控制系統(tǒng)I/O分配及編程元件編號_

圖2 交通信號燈PLC控制系統(tǒng)接線圖

使用 PLC和觸摸屏仿真軟件調(diào)試程序的步驟如下:

(1)啟動三菱 PLC編程軟件 GX Developer,按照圖3所示流程完成 PLC梯形圖程序的編寫。

(2)將三菱 PLC仿真軟件 GX Simulator安裝之后,三菱 PLC編程軟件 GX Developer常用菜單欄“工具”選項(xiàng)中“梯形圖邏輯測試啟動”則變?yōu)榭捎?仿真軟件 GX Simulator啟動界面如圖4(a)所示。

(3)點(diǎn)擊“梯形圖邏輯測試啟動”就自動建立 PLC與仿真 CPU的連接,自動啟動 GX Simulator仿真軟件,類似于虛擬了一臺與上位機(jī)連接的 PLC,GX Developer軟件會自動進(jìn)行程序轉(zhuǎn)換,將用戶程序以及運(yùn)行參數(shù)寫入 GX Simulator,并且打開 LADDER LOGICTESTTOOL窗口,此時仿真 PLC的 CPU處于 RUN模式,仿真 PLC的電源處于接通狀態(tài),掃描方式為連續(xù)掃描。

(4)選擇 LADDER LOGIC TEST TOOL窗口“菜單啟動”中“繼電器內(nèi)存監(jiān)視”便可以打開 DEVICE MEMORY MONITOR窗口。通過軟元件菜單欄中的“軟元件登錄”可以將要監(jiān)視的軟元件加載到時序圖左欄中,而監(jiān)視菜單中的“采樣周期”可以選擇系統(tǒng)仿真時的數(shù)據(jù)收集周期(1～20 s),設(shè)定圖示范圍后點(diǎn)擊監(jiān)視狀態(tài)按鈕便可以監(jiān)視程序運(yùn)行過程中軟元件的時序圖是否符合要求,軟元件時序監(jiān)測結(jié)果圖如圖4(b)所示。

1.5 觸摸屏界面設(shè)計(jì)及與 PLC的聯(lián)機(jī)通信

運(yùn)行三菱觸摸屏設(shè)計(jì)軟件 GT Designer2,對 GOT的系統(tǒng)、連接機(jī)器、畫面元件進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。例如將 GOT的類型為 GT11**-V-C(640×480),顏色設(shè)置為 256色;連接機(jī)器設(shè)置為 MELSEC-FX,I/F設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn) I/F(標(biāo)準(zhǔn) RS-422),通訊驅(qū)動程序?yàn)?MELSEC-FX,設(shè)置通道 1,波特率設(shè)置為9 600,8位數(shù)據(jù)長度,1位停止位,奇校驗(yàn);設(shè)置基本畫面軟元件為 GD100。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

首先設(shè)置主界面題目為交通道口信號燈控制,擺放 20組(60個)指示燈,MR-SL紅燈按鈕 ON狀態(tài)設(shè)置為紅色,軟元件名稱設(shè)置為 Y0,其余按照表1中的說明進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置,注意表1中的 Y0～Y14與 PLC程序中的輸出 Y0～Y14是一一對應(yīng)的;其次在主界面上添加四個位開關(guān) X0、X1、X2、X3,動作設(shè)置為點(diǎn)動,名稱為啟動、停止、參數(shù)修改、急車通行。其中啟動按鈕可以使整個控制系統(tǒng)開始正常運(yùn)行,停止按鈕用于系統(tǒng)維修時的系統(tǒng)暫停,如果要讓主支干道的紅綠燈時間更符合實(shí)際需要,只需通過參數(shù)修改按鈕進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置便可,其優(yōu)點(diǎn)是可以將高峰期和平峰期分開對待,設(shè)置合理的配時,對于更好地利用現(xiàn)有運(yùn)輸能力,改善交通流的質(zhì)量起到很大作用[4]。而緊急車輛通行信號燈受急車通行按鈕控制,是為在突發(fā)事件比如發(fā)生交通事故時對控制系統(tǒng)進(jìn)行操作而設(shè)置。設(shè)計(jì)好觸摸屏界面之后,運(yùn)行觸摸屏仿真軟件GTSimulator2:從 GTSimulator2中打開設(shè)計(jì)好的觸摸屏界面文件,便可以實(shí)現(xiàn) PLC與觸摸屏聯(lián)機(jī)通訊,二者聯(lián)機(jī)通訊仿真效果如圖5所示。

2 控制系統(tǒng)開發(fā)硬件框圖與虛擬仿真框圖對比

圖4 PLC程序測試過程圖

圖5 PLC與觸摸屏聯(lián)機(jī)通訊效果圖

利用計(jì)算機(jī)開發(fā)基于 PLC、觸摸屏的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖6(a)所示:其中 PC機(jī)用于觸摸屏界面的設(shè)計(jì)和 PLC程序的編寫,它與觸摸屏之間用串行通訊線 RS232連接,其傳送距離最大約為 15m,最高速率為 20 kb/s。觸摸屏用于向 PLC發(fā)送命令,接受到 PC機(jī)發(fā)送來的界面數(shù)據(jù)后,現(xiàn)場操作人員就可以根據(jù)控制系統(tǒng)現(xiàn)場的實(shí)際情況及觸摸屏界面提示進(jìn)行相應(yīng)的操作,其中的 RS422串行通訊線連接觸摸屏與 PLC,它定義了一種平衡通信接口,傳輸速率為 10 Mb/s,傳輸距離達(dá)到 1 200 m(速率低于 100 kb/s時),并允許在一條平衡總線上連接最多 10個接收器。而系統(tǒng)的控制核心 PLC則負(fù)責(zé)將觸摸屏發(fā)來的命令和硬件輸入設(shè)備采集的信號進(jìn)行綜合處理后向硬件輸出設(shè)備發(fā)送控制命令。所有的部分連接成為一個完整的整體,缺一不可,但是整個系統(tǒng)價格昂貴,且必須要有相應(yīng)的硬件設(shè)備,不利于學(xué)習(xí)者對該項(xiàng)技術(shù)的深入理解。

而采用日本三菱公司的 GX Developer、GX Simulator、GTDesigner2及 GTSimulator2系列軟件開發(fā)控制系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖如圖6(b)所示。僅一臺 PC機(jī)而不需其他任何硬件設(shè)備就可以自己開發(fā)控制系統(tǒng),結(jié)構(gòu)框圖中各個部分均在PC機(jī)中進(jìn)行操作。GX Developer軟件用于 PLC程序的編寫,運(yùn)行 GX Simulator軟件后點(diǎn)擊仿真按鈕就可以將 PLC程序?qū)懭胩摂M的 PLC中,從而對所編寫的 PLC程序進(jìn)行檢驗(yàn)。而觸摸屏界面則是用 GTDesigner2軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),接著用 GT Simulator2軟件打開設(shè)計(jì)好的界面數(shù)據(jù)保存文件,點(diǎn)擊仿真啟動便可檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確與否,并且與之前的 PLC部分進(jìn)行虛擬聯(lián)機(jī)通訊仿真,對出現(xiàn)的各種仿真現(xiàn)象進(jìn)行分析,找出設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)并對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。整個過程不需大量設(shè)備投入,只要有一臺 PC機(jī)就可以對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試,可大大降低人員培訓(xùn)和設(shè)備維護(hù)成本。

圖6 控制系統(tǒng)開發(fā)硬件框圖與仿真框圖對比圖

3 應(yīng)用

所提出的 PLC電氣控制虛擬仿真方法已應(yīng)用于部分高校電氣專業(yè)學(xué)生的實(shí)習(xí)和企業(yè)工人的技能培訓(xùn)中,該方法實(shí)現(xiàn)了對操作者思路的直接轉(zhuǎn)化,該虛擬仿真方法能直接從屏幕上觀察出 PLC控制結(jié)果的正確與否,這給編程和調(diào)試帶來很大方便,有利于編程人員掌握電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法;能夠結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的科技手段,將實(shí)驗(yàn)的人機(jī)交互式仿真和可視化多媒體設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)引入到設(shè)計(jì)中來,提高了編程人員學(xué)習(xí)的主動性和興趣;便于選擇具有工程實(shí)用價值高的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,這樣不但可以提高操作者的應(yīng)用能力,對培養(yǎng)其進(jìn)行工業(yè)自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)也具有顯著的促進(jìn)和提高作用[5]。

4 結(jié)語

利用所提出的 PLC電氣控制虛擬仿真方法,可以開發(fā)出運(yùn)行穩(wěn)定、人機(jī)界面友好的虛擬仿真系統(tǒng),給研究者的學(xué)習(xí)和調(diào)試帶來了很大方便,縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。如果將該虛擬仿真方法在高校電氣專業(yè)學(xué)生的實(shí)習(xí)和企業(yè)工人的技能培訓(xùn)中進(jìn)行推廣,可以用有限的設(shè)備、低廉的成本、多樣化的程序,豐富課堂內(nèi)容,增強(qiáng)課堂的教學(xué)效果,并提高學(xué)習(xí)者的編程技巧和動手能力。

[1]王中蘇.PLC在城市道路交通信號控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,2003(6):36-38.

[2]賀哲榮,石帥軍,王志云.流行PLC實(shí)用程序及設(shè)計(jì)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2006:247-250.

[3]徐艮.PLC仿真軟件在設(shè)備管理中的應(yīng)用[J].設(shè)備管理與維修,2009(7):19-20.

[4]陳傳明,張鈴,趙姝,等.智能交通信號燈配時及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].微機(jī)發(fā)展,2005,15(3):4-6.

[5]周永勤,周關(guān)蘭,戈寶軍有,等.基于多組態(tài)平臺工控設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2005,27(1):76-78.