崔晨耕

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化工程學(xué)院，陜西 西安 710000)

0 引言

隨著我國(guó)自動(dòng)化生產(chǎn)大范圍普及，且伴隨著生產(chǎn)線智能化，涉及的工程技術(shù)種類多，在生產(chǎn)系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中，需要運(yùn)用到機(jī)械和電氣自動(dòng)化、工程管理程序設(shè)計(jì)、電子通信技術(shù)等方面專業(yè)技術(shù)。施工程序設(shè)計(jì)在整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)中占有重要的地位，程序設(shè)計(jì)的正確性直接影響最后自動(dòng)化結(jié)果準(zhǔn)確性，因此，針對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)計(jì)的時(shí)序性有必要在自動(dòng)化控制中進(jìn)行計(jì)算并驗(yàn)證[1-2]。本文基于PLC自動(dòng)化仿真平臺(tái)，對(duì)平臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類提取，并根據(jù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和時(shí)序性進(jìn)行驗(yàn)證，在該平臺(tái)中的數(shù)據(jù)運(yùn)行之前，可以對(duì)自動(dòng)化仿真平臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)評(píng)估，提供科研人員對(duì)平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)序性的需求，結(jié)合設(shè)計(jì)需要對(duì)仿真平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化并改進(jìn)，從結(jié)構(gòu)模塊建設(shè)、基于PLC信號(hào)交互設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分類計(jì)算對(duì)計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)進(jìn)行了研究，結(jié)合任務(wù)需求完成PLC仿真平臺(tái)數(shù)據(jù)驗(yàn)證[3-5]。

1 自動(dòng)生產(chǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)分析

自動(dòng)化生產(chǎn)平臺(tái)過(guò)程中涉及的專業(yè)種類多且復(fù)雜，針對(duì)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)研究，需要運(yùn)用到機(jī)械工程制造、電氣自動(dòng)化和圖紙平面設(shè)計(jì)。自動(dòng)化平臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)合生產(chǎn)工藝流程，是自動(dòng)化生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)，基于PLC程序設(shè)計(jì)是根據(jù)平臺(tái)規(guī)劃圖紙，涉及的平臺(tái)結(jié)構(gòu)搭建、自動(dòng)化軟件編程已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，但針對(duì)PLC軟件設(shè)計(jì)還處于基礎(chǔ)調(diào)試階段，這樣會(huì)導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)中的精準(zhǔn)性和時(shí)效性的校對(duì)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并且在驗(yàn)證中運(yùn)用的時(shí)間較長(zhǎng)，在核對(duì)過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案與初始的預(yù)計(jì)方案不符合時(shí)，需要將各個(gè)部件的組成方式以軟件的時(shí)序性進(jìn)行重新分析，并且生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)用的數(shù)學(xué)模型和物理模型需進(jìn)行重新構(gòu)建使自動(dòng)化平臺(tái)生產(chǎn)的周期延長(zhǎng)[6]。為降低自動(dòng)化生產(chǎn)平臺(tái)生產(chǎn)和設(shè)計(jì)的時(shí)長(zhǎng)，減少設(shè)計(jì)過(guò)程中多余且繁瑣的環(huán)節(jié)，自動(dòng)化生產(chǎn)平臺(tái)在沒(méi)有實(shí)際場(chǎng)地保證的前提下，對(duì)目標(biāo)物體的設(shè)計(jì)和研發(fā)階段在自動(dòng)線上基于PLC進(jìn)行模型構(gòu)建，運(yùn)用PLC自動(dòng)化仿真平臺(tái)時(shí)序性的程序設(shè)計(jì)，運(yùn)用仿真模型和實(shí)際模型做對(duì)比，驗(yàn)證基于PLC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)際模型與理論構(gòu)建模型相似度，達(dá)到對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)[7-9]。完成基于PLC自動(dòng)化仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)，按照生產(chǎn)模式需要完成以下步驟。

1.1 構(gòu)建仿真平臺(tái)驅(qū)動(dòng)單元

基于PLC仿真平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)單元包含2個(gè)部分：一部分是模型構(gòu)建單元傳感器的輸入模塊，另一部分是以PB點(diǎn)為驅(qū)動(dòng)的輸出模塊[10]。以單元模型構(gòu)建為基礎(chǔ)，將PLC時(shí)序性的程序作為輸入指令，模塊單元的程序時(shí)間作為輸出指令，指令結(jié)構(gòu)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建的方式獲得，并根據(jù)以上的方式實(shí)現(xiàn)仿真平臺(tái)模型構(gòu)建。PLC仿真平臺(tái)構(gòu)建如圖1所示。

圖1 PLC仿真平臺(tái)構(gòu)建

1.2 仿真平臺(tái)與PLC程序?qū)?/h3>

基于PLC自動(dòng)化仿真平臺(tái)通信單元的接口是根據(jù)信號(hào)交互協(xié)議完成與平臺(tái)單元模塊功能信息的時(shí)效傳輸，自動(dòng)化仿真平臺(tái)不僅具有在PLC模塊單元之間傳輸?shù)墓δ?，同時(shí)還具備對(duì)各類單元模塊以實(shí)際反饋效果進(jìn)行數(shù)據(jù)更新的功能。PLC程序信息交互如圖2所示。

圖2 PLC程序信息交互

根據(jù)自動(dòng)化仿真平臺(tái)各個(gè)模塊的功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行平臺(tái)仿真的可視化設(shè)計(jì)，結(jié)合模塊單元的參數(shù)組成和集成單元的技術(shù)參數(shù)，結(jié)合平臺(tái)結(jié)構(gòu)功能組成的相互聯(lián)系，采用國(guó)際通用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)基于PLC自動(dòng)化仿真平臺(tái)的可視化采用標(biāo)準(zhǔn)的層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，仿真平臺(tái)可視化可以有效提高工作人員在自動(dòng)化平臺(tái)的信號(hào)處理。

2 自動(dòng)化系統(tǒng)模塊

自動(dòng)生產(chǎn)線仿真平臺(tái)是基于PLC程序設(shè)計(jì)而成的，該程序在自動(dòng)化工藝設(shè)計(jì)方面具有較高的精密性，驗(yàn)證PLC實(shí)時(shí)程序在仿真平臺(tái)是否正確，需要將程序在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)用，若平臺(tái)反饋的結(jié)果有錯(cuò)誤，PLC驅(qū)動(dòng)程序的機(jī)械部件在平臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤碰撞，會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)化程序無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但該方法的驗(yàn)證周期長(zhǎng)，程序繁瑣[11-13]。因此有必要針對(duì)設(shè)計(jì)出現(xiàn)的問(wèn)題來(lái)解決PLC程序在仿真平臺(tái)的正確性，運(yùn)用整體的結(jié)構(gòu)性來(lái)滿足程序在仿真平臺(tái)是否符合規(guī)范要求。

涉及到實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，不能有效避開(kāi)整體裝備和裝備之間零部件的結(jié)構(gòu)影響，且平臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的小零部件具備相關(guān)的聯(lián)系性，采用線性結(jié)構(gòu)的正態(tài)分布法，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行回歸分析，隨機(jī)變量模型可以有效處理在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的隨機(jī)變量，并使模型隨機(jī)變量參數(shù)的疊加結(jié)果更貼近實(shí)驗(yàn)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在運(yùn)用變量模型的基礎(chǔ)上更具有時(shí)效性，結(jié)合以上參數(shù)變量在自動(dòng)仿真平臺(tái)應(yīng)用，選取隨機(jī)變量模型運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中。

自動(dòng)化智能生產(chǎn)線系統(tǒng)包含有輸出和輸入2種系統(tǒng)，機(jī)器的荷載在2種系統(tǒng)中的作用效果是相輔相成，且結(jié)構(gòu)形式是相互獨(dú)立的，自動(dòng)生產(chǎn)線軸距動(dòng)量的計(jì)算式為式(1)。

(1)

式中，JP為生產(chǎn)線軸距動(dòng)量;W為生產(chǎn)線的自重;D為轉(zhuǎn)動(dòng)輪的直徑。

自動(dòng)生產(chǎn)線負(fù)載的計(jì)算式為式(2)。

(2)

式中，JB為生產(chǎn)線軸距動(dòng)量;W為傳輸帶設(shè)備質(zhì)量;P為傳輸帶結(jié)構(gòu)扭矩。

自動(dòng)生產(chǎn)線加速荷載的計(jì)算式為式(3)。

(3)

式中，J1為生產(chǎn)線加速動(dòng)量;J2為加速帶荷載的動(dòng)量;i為荷載比。

通過(guò)以上計(jì)算電機(jī)所帶的負(fù)載慣量，將其作為電機(jī)系統(tǒng)單元模型自變量。本章中所構(gòu)建的時(shí)序響應(yīng)模型，其自變量與因變量如表1所示。其中，自變量含有電機(jī)基本信息、負(fù)載慣量信息與運(yùn)動(dòng)指令信息[14]。

表1 自動(dòng)生產(chǎn)線單元模塊變量

結(jié)合以上自動(dòng)生產(chǎn)線軸距動(dòng)量、自動(dòng)生產(chǎn)線負(fù)載和自動(dòng)生產(chǎn)線加速荷載的計(jì)算式，將自動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)的模塊單元作為自變量，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要對(duì)每一項(xiàng)變量進(jìn)行取值，該自變量包括電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、電動(dòng)機(jī)的加速荷載等變量。

3 PLC程序信息交互

3.1 PLC單元結(jié)構(gòu)

使用者可根據(jù)PLC程序設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)備單元內(nèi)部信息交互，在很多的存儲(chǔ)設(shè)備中為使用者提供了信息寫(xiě)入單元和輸出單元結(jié)構(gòu)，可以在PLC程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)編寫(xiě)，為特定的程序環(huán)境編寫(xiě)代碼實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的寫(xiě)入、對(duì)比和輸出[15]。結(jié)合程序?qū)懭氲牟煌穆窂綄?duì)存儲(chǔ)器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，完成以不同方式對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備的改變。基于PLC自動(dòng)化生產(chǎn)線仿真平臺(tái)需要在存儲(chǔ)器的核心部件劃分等量的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，并對(duì)每一個(gè)結(jié)構(gòu)單元設(shè)定該存儲(chǔ)的編寫(xiě)代碼，對(duì)PLC單元中的數(shù)據(jù)重新提取并設(shè)定相應(yīng)的數(shù)值，自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)參數(shù)

3.2 PLC仿真程序

自動(dòng)生產(chǎn)線仿真平臺(tái)是基于PLC實(shí)時(shí)程序設(shè)計(jì)而成，在該平臺(tái)進(jìn)行的信號(hào)交互是依據(jù)Modbus TCP/IP ADU的規(guī)程，該規(guī)程是以信號(hào)交互數(shù)據(jù)編碼為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在硬件系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，如圖3所示。

圖3 信息通訊協(xié)議結(jié)構(gòu)

MB/AP報(bào)頭文、功能碼和數(shù)據(jù)鏈接共同組成該系統(tǒng)內(nèi)的主要結(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)輸入和信息輸出中起到校對(duì)作用，為信息交互的正確性提供保障。

在仿真平臺(tái)PLC信息交互中包含2個(gè)端口：主站設(shè)備客戶端和從站設(shè)備服務(wù)端。在主站設(shè)備客戶端中，仿真平臺(tái)發(fā)出信號(hào)請(qǐng)求，通過(guò)請(qǐng)求報(bào)文的形式傳輸?shù)綇恼驹O(shè)備服務(wù)端，該端口接受到主站設(shè)備的報(bào)文請(qǐng)求，在端口結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行特定功能碼分析并作出相應(yīng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)果以應(yīng)答報(bào)文的形式傳輸?shù)街鞫丝冢髡驹O(shè)備客戶端結(jié)合報(bào)文接受的反饋形式作出應(yīng)答，這樣就完成了報(bào)文信息從主站設(shè)備到從站設(shè)備的一個(gè)循環(huán)。仿真平臺(tái)信息交互處理如圖4所示。

圖4 仿真平臺(tái)信息交互處理

主站設(shè)備客戶端和從站設(shè)備服務(wù)端是硬件設(shè)備不可或缺的組成結(jié)構(gòu)，該功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)接受消息每一幀的識(shí)別，并對(duì)反饋信息進(jìn)行重新傳輸，達(dá)到設(shè)備信息傳遞的時(shí)效性。信息儲(chǔ)存功能由每個(gè)字節(jié)組成，常用的從設(shè)備存儲(chǔ)器中讀取的信息編碼如下。

信息編碼為05時(shí)的請(qǐng)求內(nèi)容如表3所示。

表3 信息編碼為05時(shí)請(qǐng)求內(nèi)容

信息編碼為05時(shí)的接收內(nèi)容如表4所示。

表4 信息編碼為05時(shí)接收內(nèi)容

自動(dòng)化仿真平臺(tái)和PLC信息交互技術(shù)是根據(jù)Modbus TCP/IP ADU規(guī)程，數(shù)據(jù)設(shè)備客戶端在源頭采集信息并對(duì)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行識(shí)別，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中對(duì)每一類數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)，根據(jù)信息交互過(guò)程中的協(xié)議編碼，對(duì)端口采集的數(shù)據(jù)采用編碼識(shí)別來(lái)確定信息碼，每一幀數(shù)據(jù)的起始位置都是固定不變，傳輸中以存儲(chǔ)位數(shù)不同區(qū)分傳輸內(nèi)容。

4 總結(jié)

本文結(jié)合設(shè)計(jì)需要對(duì)仿真平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化并改進(jìn)，從結(jié)構(gòu)模塊建設(shè)、基于PLC信號(hào)交互設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分類計(jì)算對(duì)計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)進(jìn)行了研究，結(jié)合任務(wù)需求完成PLC仿真平臺(tái)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。根據(jù)PLC程序設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)備單元內(nèi)部信息交互，在PLC程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)編寫(xiě)，為特定的程序環(huán)境編寫(xiě)代碼實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的寫(xiě)入、對(duì)比和輸出，驗(yàn)證基于PLC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)際模型與理論構(gòu)建模型相似度，達(dá)到對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。