姜信建 姜上川

(1.中國(guó)洛陽(yáng)浮法玻璃集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南471009；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京100193)

對(duì)于開(kāi)關(guān)量控制過(guò)程，諸如自動(dòng)生產(chǎn)線、組合機(jī)床等自動(dòng)化設(shè)備的控制過(guò)程等，不論是采用PLC控制系統(tǒng)，還是采用繼電器控制系統(tǒng)，在進(jìn)行新型設(shè)計(jì)(包括更換產(chǎn)品設(shè)計(jì))或技術(shù)改造中，令電氣技術(shù)人員關(guān)注的核心問(wèn)題是：他們所設(shè)計(jì)的控制程序(即PLC梯形圖程序或繼電器邏輯線路)能否滿足實(shí)際加工中控制過(guò)程的工藝要求。運(yùn)用模擬仿真技術(shù)，能夠在早期(可在設(shè)計(jì)的同時(shí))、離線狀態(tài)(可在設(shè)計(jì)室里)對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的開(kāi)關(guān)量控制過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，檢驗(yàn)并修訂控制程序的設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題，并將問(wèn)題解決在設(shè)備制造藍(lán)圖之前。

現(xiàn)行的模擬仿真系統(tǒng)和方法，主要由PLC(可編程控制器)和輸入信號(hào)模擬板構(gòu)成，PLC的輸入端與輸入信號(hào)模擬板上的扭子開(kāi)關(guān)相連接，輸入端接點(diǎn)的LED顯示所模擬的各種開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)狀態(tài)；其輸出端設(shè)置的LED顯示用以表示輸出部分。其模擬仿真的方法主要采用人工觀察、手動(dòng)操作。由此存在的問(wèn)題是：(1)輸入信號(hào)模擬板僅采用扭子開(kāi)關(guān)一種元件，對(duì)多種開(kāi)關(guān)量元器件來(lái)說(shuō)模擬不夠直觀；(2)不具備智能化，其方法上采用人工操作輸入過(guò)程、人工觀察輸出驅(qū)動(dòng)結(jié)果、人工判斷對(duì)錯(cuò)等，仍然沒(méi)有擺脫人工模式；(3)系統(tǒng)硬件連接方式是將輸入信號(hào)模擬板上的元器件與PLC的輸入端一一對(duì)應(yīng)的接線，較為煩瑣；(4)模擬仿真時(shí)對(duì)PLC的兩種開(kāi)關(guān)量輸入——人工操作輸入和控制過(guò)程輸入不加區(qū)分，一律由人工操作進(jìn)行仿真，不能真實(shí)反映控制現(xiàn)場(chǎng)情況。

1 智能化模擬仿真的技術(shù)方案

開(kāi)關(guān)量控制過(guò)程的智能化模擬仿真方法，使其對(duì)人工輸入的主令元器件具有逼真的視覺(jué)和觸控仿真效果，使其對(duì)控制過(guò)程輸入的開(kāi)關(guān)量能自動(dòng)按實(shí)際情況設(shè)定，無(wú)須在仿真時(shí)人為干預(yù)，對(duì)控制程序的運(yùn)行結(jié)果具有自動(dòng)檢驗(yàn)、自動(dòng)判斷的智能化功能。在硬件上采用計(jì)算機(jī)、觸摸屏、PLC和編程器等，它們之間通過(guò)專用電纜插接互連，使配線標(biāo)準(zhǔn)化、簡(jiǎn)單化。

開(kāi)關(guān)量控制過(guò)程的智能化模擬仿真所采取的技術(shù)方案是：按照實(shí)際設(shè)備順序控制過(guò)程的輸入和輸出關(guān)系，繪制邏輯展開(kāi)圖，它是編制模擬仿真組態(tài)程序的"腳本"；依照邏輯展開(kāi)圖各工步中輸入和輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系，區(qū)別PLC的兩種開(kāi)關(guān)量輸入，用計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件分別進(jìn)行編程：(1)對(duì)人工操作輸入，即由人在控制盤上操縱的按鈕、旋鈕及其它主令元件而產(chǎn)生的輸入，利用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)觸摸屏的用戶窗口界面，編寫組態(tài)程序?qū)⒂脩舸翱诘能浽?按鈕等主令元器件)與PLC控制器的輸入通道相連接，通過(guò)人工觸控觸摸屏窗口的軟元件即可改變PLC相對(duì)應(yīng)的輸入通道的狀態(tài)；(2)對(duì)控制過(guò)程輸入，即由機(jī)械體的位移觸動(dòng)行程開(kāi)關(guān)等產(chǎn)生的輸入，用組態(tài)軟件的運(yùn)行策略編寫腳本程序，根據(jù)所采集的PLC輸出狀態(tài)，依照邏輯展開(kāi)圖確定該工步中由此輸出作用產(chǎn)生的輸入狀態(tài)，用組態(tài)程序?qū)LC該輸入通道設(shè)定為邏輯展開(kāi)圖中所要求的狀態(tài)。PLC的中央處理器根據(jù)輸入通道的狀態(tài)，執(zhí)行其內(nèi)部的梯形圖控制程序，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出驅(qū)動(dòng)；對(duì)上述仿真的結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)判斷：依據(jù)控制過(guò)程的邏輯展開(kāi)圖中各工步區(qū)間輸入和輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在組態(tài)的設(shè)備窗口配置PLC輸入和輸出的數(shù)據(jù)采集，用組態(tài)程序編寫腳本程序，將在各控制工步中采集的輸入和輸出開(kāi)關(guān)量與邏輯展開(kāi)圖的輸入和輸出進(jìn)行比較、判斷，并在人機(jī)界面上給出相應(yīng)的提示。

2 智能化模擬仿真實(shí)施方式

2.1 智能化模擬仿真硬件系統(tǒng)

開(kāi)關(guān)量控制過(guò)程的智能化模擬仿真硬件系統(tǒng)，主要在由計(jì)算機(jī)、觸摸屏、PLC可編程控制器構(gòu)成的模擬仿真系統(tǒng)上進(jìn)行。如圖1所示。

圖1 智能化模擬仿真系統(tǒng)構(gòu)成Figure 1 The constitute of intelligent analog simulation system

控制系統(tǒng)采用西門子S7-200 PLC。通過(guò)LCD編程器或計(jì)算機(jī)，將所設(shè)計(jì)的PLC梯形圖控制程序輸入到PLC主機(jī)。S7-200 PLC用于編程的軟件是STEP7-Micro/DOS,它提供兩種編程語(yǔ)言選項(xiàng)：梯形圖語(yǔ)言和語(yǔ)句表語(yǔ)言。

2.2 模擬仿真實(shí)施例

本文所述實(shí)施例的模擬仿真對(duì)象是一臺(tái)組合機(jī)床，控制過(guò)程如圖2所示。

控制過(guò)程的工藝要求為：

(1)加工狀態(tài)：

圖2 智能化模擬仿真實(shí)施例的控制過(guò)程Figure 2 The control process of intelligent analog simulation

上述，完成一次正常加工。

(2)調(diào)整狀態(tài)

調(diào)整狀態(tài)分為拉料機(jī)構(gòu)的“拉入-拉出”，定位機(jī)構(gòu)的“定位-拔銷”，夾緊機(jī)構(gòu)的“夾緊-放松”，滑臺(tái)機(jī)構(gòu)的“向前-向后”等相對(duì)獨(dú)立的動(dòng)作環(huán)節(jié)。

根據(jù)圖2所示的工藝要求，本實(shí)施例所述的開(kāi)關(guān)量控制過(guò)程模擬仿真方法為：確定如表1所示PLC輸入/輸出地址表；按照?qǐng)D2給出的實(shí)際設(shè)備順序控制過(guò)程的輸入和輸出關(guān)系和PLC輸入/輸出地址表繪制如圖3所示邏輯展開(kāi)圖；依照邏輯展開(kāi)圖的各工步中輸入和輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系，區(qū)別PLC的兩種開(kāi)關(guān)量輸入，用計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件分別進(jìn)行編程：(1)對(duì)人工操作輸入，即由人在控制盤上操縱的按鈕、旋鈕及其它主令元件而產(chǎn)生的輸入，利用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)觸摸屏的用戶窗口界面，編寫組態(tài)程序?qū)⒂脩舸翱诘能浽?按鈕等主令元器件)與PLC控制器的輸入通道相連接，即通過(guò)人工觸控觸摸屏窗口的軟元件即可改變PLC相對(duì)應(yīng)的輸入通道的狀態(tài)；(2)對(duì)控制過(guò)程輸入，即由機(jī)械體的位移觸動(dòng)行程開(kāi)關(guān)等產(chǎn)生的輸入，用組態(tài)軟件的運(yùn)行策略編寫腳本程序，根據(jù)所采集的PLC輸出狀態(tài)，依照邏輯展開(kāi)圖確定該工步中由此輸出作用產(chǎn)生的輸入狀態(tài)，用組態(tài)程序?qū)LC該輸入通道設(shè)定為邏輯展開(kāi)圖中所要求的狀態(tài)。對(duì)上述仿真的結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)判斷：依據(jù)控制過(guò)程邏輯展開(kāi)圖中各工步區(qū)間輸入和輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在組態(tài)的設(shè)備窗口配置PLC輸入和輸出的數(shù)據(jù)采集，用組態(tài)程序編寫腳本程序，將在各控制工步中采集的輸入和輸出開(kāi)關(guān)量與邏輯展開(kāi)圖的輸入和輸出進(jìn)行比較、判斷，并在人機(jī)界面上給出相應(yīng)的提示。

本發(fā)明實(shí)施例控制系統(tǒng)的PLC輸入/輸出地址表見(jiàn)表1。

表1 PLC輸入/輸出地址表

其中，輸出通道Q0.0-Q1.0設(shè)定為驅(qū)動(dòng)1YV-9YV電磁鐵的輸出地址。輸入通道I0.0-I2.1設(shè)定為兩種輸入的地址(人工操作的輸入和控制過(guò)程的輸入)，I0.0-I1.0為人工操作的輸入地址，是由旋鈕SA、按鈕SB1-SB8作用輸入；I1.1-I2.1為控制過(guò)程的輸入地址，是由行程開(kāi)關(guān)SQ1-SQ7、壓力繼電器1SP-2SP作用輸入。

在模擬仿真系統(tǒng)中，PLC的輸入端和輸出端不連接任何實(shí)際器件。PLC的輸入端(輸入通道)的狀態(tài)，是通過(guò)計(jì)算機(jī)或觸摸屏的組態(tài)程序按模擬仿真的要求設(shè)置其狀態(tài)的，PLC的輸出端(輸出通道)的狀態(tài)，是由PLC根據(jù)輸入端(輸入通道)的狀態(tài)，執(zhí)行其內(nèi)部的梯形圖控制程序而相應(yīng)產(chǎn)生輸出驅(qū)動(dòng)。PLC的I/O接點(diǎn)均帶有LED狀態(tài)顯示。

邏輯展開(kāi)圖是根據(jù)控制過(guò)程的具體輸入/輸出要求繪制的，它嚴(yán)謹(jǐn)?shù)胤从沉隧樞蚩刂七^(guò)程各工步的開(kāi)關(guān)量邏輯關(guān)系。如圖3所示。

圖3 智能化模擬仿真實(shí)施例的 控制過(guò)程邏輯展開(kāi)圖Figure 3 The logic expanded diagram of intelligent analog simulation control process

其繪制方法是，根據(jù)控制對(duì)象的順序、控制過(guò)程的工藝要求示意圖及PLC輸入/輸出地址表(I/O地址表)，將整個(gè)控制過(guò)程按工步劃分成若干個(gè)區(qū)間，在各個(gè)區(qū)間上方注明該工步的名稱。在區(qū)間的界線或其間，標(biāo)定相應(yīng)輸入/輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)的作用點(diǎn)或作用區(qū)間，展開(kāi)一個(gè)工作周期的輸入/輸出的邏輯關(guān)系。對(duì)輸入短信號(hào)在各區(qū)間的界線上用“○”表示，對(duì)跨區(qū)間的輸入長(zhǎng)信號(hào)，用“○—→|”表示。輸出信號(hào)用“——”表示其作用區(qū)間。計(jì)時(shí)器用“─┄┄”表示，實(shí)線段表示計(jì)時(shí)時(shí)間，后接虛線段表示時(shí)間到后計(jì)時(shí)器尚未清零。

在邏輯展開(kāi)圖中，將兩種輸入加以區(qū)分：將人工操作的開(kāi)關(guān)量輸入標(biāo)示在邏輯展開(kāi)圖的頂部的區(qū)間界線處；將控制過(guò)程的開(kāi)關(guān)量輸入標(biāo)示在邏輯展開(kāi)圖的上半部分，作用點(diǎn)或作用區(qū)間，標(biāo)定在區(qū)間的界線或其間；開(kāi)關(guān)量輸出則在邏輯展開(kāi)圖的下半部分。邏輯展開(kāi)圖真實(shí)地反映出順序控制過(guò)程中的輸入/輸出狀態(tài)的實(shí)際變化情況，它是用組態(tài)軟件編制模擬仿真程序的“腳本”。

3 編制組態(tài)程序進(jìn)行智能化模擬仿真

本發(fā)明實(shí)施例采用MCGS組態(tài)軟件，它主要包括用戶窗口、設(shè)備窗口和運(yùn)行策略等部分，每一部分分別進(jìn)行組態(tài)操作完成不同的工作，具有不同的特性。其中：(1)用戶窗口——主要用于設(shè)置工程中人機(jī)交互的界面，諸如：生成動(dòng)畫(huà)顯示畫(huà)面、操作控制面板、報(bào)表等。(2)設(shè)備窗口——是連接和驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備的工作環(huán)境。在該窗口內(nèi)配置數(shù)據(jù)采集與控制輸出設(shè)備，定義連接與驅(qū)動(dòng)設(shè)備用的數(shù)據(jù)變量。(3)運(yùn)行策略——該窗口主要完成工程流程的控制，包括(控制程序)，選用各種功能構(gòu)件。

結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，采用MCGS組態(tài)軟件編制組態(tài)程序進(jìn)行模擬仿真的主要方法是：

(1)對(duì)人工操作輸入及其輸出的組態(tài)方法是：正常加工狀態(tài)下，在每一個(gè)控制過(guò)程的循環(huán)中，操作人員需在人機(jī)界面分別按動(dòng)五個(gè)按鈕，即有五個(gè)人工操作的輸入，其順序?yàn)椋?/p>

I0.1(拉入按鈕SB1)—→I0.3(定位按鈕SB3)—→I0.5(夾緊按鈕SB5)—→I0.7(向前按鈕SB7)—→I0.2(拉出按鈕SB2)

利用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)觸摸屏的用戶窗口界面，其中包含所有按鈕SB1-8和旋鈕SA的組態(tài)元件，并編寫組態(tài)程序?qū)⒂|摸屏用戶窗口的軟元件(按鈕等主令元器件)與設(shè)備窗口的PLC控制器的輸入通道相連接，通過(guò)人工觸控觸摸屏窗口的軟元件即可改變PLC的相對(duì)應(yīng)的輸入通道的狀態(tài)。PLC 的中央處理器根據(jù)內(nèi)部的控制程序，執(zhí)行相應(yīng)的輸出驅(qū)動(dòng)，并由其輸出端的LED信號(hào)燈表示輸出控制的動(dòng)作完成狀態(tài)。

(2)對(duì)控制過(guò)程產(chǎn)生輸入及其輸出的組態(tài)方法是：正常加工狀態(tài)下，在每一個(gè)控制過(guò)程的循環(huán)中，由機(jī)械體的位移觸動(dòng)行程開(kāi)關(guān)等產(chǎn)生的輸入共有9個(gè)，按作用順序分別為：

I1.1(拉入到位壓力繼電器1SP)—→I2.0(定位行程開(kāi)關(guān)SQ6)—→I1.7(夾緊行程開(kāi)關(guān)SQ5)—→I1.2(夾緊壓力繼電器2SP)—→I1.4(工進(jìn)位行程開(kāi)關(guān)SQ2)—→I1.5(終點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)SQ3)—→I1.3(原位行程開(kāi)關(guān)SQ1)—→I2.1(拔銷行程開(kāi)關(guān)SQ7)—→I1.6(拉出位行程開(kāi)關(guān)SQ4)

用組態(tài)軟件的運(yùn)行策略，編寫腳本程序，根據(jù)所采集的PLC輸出狀態(tài)，依照邏輯展開(kāi)圖確定該控制過(guò)程產(chǎn)生的輸入狀態(tài)，并用組態(tài)程序?qū)⒃O(shè)備窗口的PLC該輸入通道設(shè)定為相應(yīng)的狀態(tài)。

同樣，PLC的中央處理器根據(jù)輸入端(輸入通道)的狀態(tài)，執(zhí)行其內(nèi)部的梯形圖控制程序，而相應(yīng)產(chǎn)生輸出驅(qū)動(dòng)。PLC的I/O接點(diǎn)均帶有LED狀態(tài)顯示。

(3)自動(dòng)判斷正誤的組態(tài)方法是：依據(jù)控制過(guò)程的工藝要求(即邏輯展開(kāi)圖)中各工步區(qū)間輸入和輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在組態(tài)的設(shè)備窗口配置PLC輸入和輸出的數(shù)據(jù)采集，用組態(tài)程序編寫腳本程序，將在各控制工步中采集的輸入和輸出開(kāi)關(guān)量與邏輯展開(kāi)圖(工藝要求)的輸入和輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行比較、判斷。若相一致，則表明PLC梯形圖控制程序滿足該控制過(guò)程的要求，則為正確(OK)；否則為錯(cuò)誤(NO)，并在人機(jī)界面上給出相應(yīng)的提示或彈出相應(yīng)提示窗口。

[1]中國(guó)洛陽(yáng)浮法玻璃集團(tuán)有限責(zé)任公司.開(kāi)關(guān)量控制過(guò)程的智能化模擬仿真方法[P].中國(guó)專利：ZL 2004 1 0060495.3，2008-04-02.

[2]洛陽(yáng)玻璃股份有限公司.開(kāi)關(guān)量順序控制過(guò)程的模擬仿真系統(tǒng)和模擬仿真方法[P].中國(guó)專利：01135298.1，2001-12-25.