基于单片机和组态软件的PLC控制系统仿真实现

２００７年第１１期　计算机系统应用　基于单片机和组态软件的ＰＬＣ控制系统仿真实现①　Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ＰＬＣ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＳＣＭ　ａｎｄ　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　罗培　马茜　黄辉先　（湘潭大学信息工程学院湖南湘潭４１１１０５）　摘要：以基于ＰＬＣ的液气联调试验台为背景，针对ＰＬＣ控制系统存在现场调试难度大、组织投入大量人力物力、　风险大等问题，采用单片机和组态软件开发了用于ＰＬＣ程序调试的仿真系统。系统由ＰＬＣ、单片机接口板　和ＰＣ机组成，ＰＬＣ的Ｉ／０信号通过单片机接口板与ＰＣ机相连，在ＰＣ机中，用组态软件模拟试验台测试工　况，实现试验台控制程序的仿真调试。实践表明，该系统减少了现场调试工作量，提高了开发效率。　关键词：ＰＬＣ控制系统仿真单片机组态软件　１　引言　双ＰＬＣ仿真…和基于组态软件仿真　引。双ＰＬＣ仿真　可编程序控制器（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｌｏｇｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，　功能简单，通用性不强；而基于组态软件仿真，由于　简称ＰＬＣ）是以微处理机为基础并综合了计算机技术、自　ＰＬＣ的Ｉ／０口悬空，没有与外部连接，在ＰＬＣ程序中输　动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型工业自　入输出继电器必须用中间继电器代替，所以调试完成　动控制装置，它以高可靠性、易操作性、灵活性等优点在　后，程序还必须进行修改，可靠性受到影响。　现代工业控制领域得到了广泛应用，是自动化的三大技　考虑到这两种方式的特点，本文采用单片机和组　术支柱（ＰＬＣ技术、机器人技术、ＣＡＤ／ＣＡＭ）之一。　ＰＬＣ控制系统的开发周期一般要经过系统功能分　态软件结合的方式，将ＰＬＣ的Ｉ／０口与单片机接口板　析，确定Ｉ／０点数，ＰＬＣ选型，Ｉ／０地址分配，编写控制　连接，单片机接口板通过ＲＳ２３２串口与ＰＣ机相连，在　程序，现场调试，编制技术文件等过程。其中编写控制　计算机上对整个ＰＬＣ控制系统的功能进行模拟调试，　程序和现场调试将占用开发周期的大部分时间。程序　在仿真状态中直观地对ＰＬＣ控制系统程序的错误和缺　编写完成后，要对程序的可行性及控制功能正确与否　陷进行检测和修正，待程序完全正确时，再进行现场实　进行调试和必要的测试。在现场调试阶段，ＰＬＣ将与　际联机调试，这种方式将大大提高现场调试的效率，降　实际被控对象联调，控制实际被控对象产生动作，以检　低系统调试的费用和风险。　验程序及整个系统运行是否满足预定的控制要求。由　本文以基于ＰＬＣ的液气联调试验台为背景，采用　于编制的ＰＬＣ软件可能不是十分完善，所以调试的一　单片机和组态软件开发了试验台控制仿真系统，实现　个主要内容，就是要排除编程中的一些错误及考虑不　周的程序缺陷。现场调试过程中还需要组织大量人力　了试验台ＰＬＣ控制程序的仿真调试。　物力，为系统的调试提供各种保障，现场调试不成功时　则需要反复修改测试，采用这种传统方法对ＰＬＣ控制　２系统框架结构　系统进行调试，既繁琐又费时费力且具有一定风险，所　液气联调试验台用于完成某型车辆液气联调试　以将仿真技术用于ＰＬＣ调试具有广泛的现实意义。　验，检测各液压阀和液压缸的动作顺序、行程大小、工　目前，ＰＬＣ控制系统的仿真实现方法一般有两种：　作位置，以图表、曲线形式显示被检部件的压力、温度　①基金项目：湖南省自然科学基金资助项目（ｏ６ＪＪ５１１２）：湖南省教育厅基金资助项目（０３Ｃ４６３）　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｃａｓｅ实用案例　６５　维普资讯 http://www.cqvip.com

计算机系统应用　２００７年第１１期　Ｌ－　。．●Ｌ　和流量等参数。根据试验要求，试验台测控信号有４６　路开关量输入、４８路开关量输出、４路模拟量输入和４　路模拟量输出。控制器采用ＦＸ２ｎ一８０ＭＲ，扩展了１个　．。．。’　．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ｆｘ２ｎ一３２ＥＲ模块、１个ＦＸ２ｎ一４ＡＤ模块和２个Ｆｘ一　ｉ２－ｒ。．．．　～　－／　搭建组态平台　２ＤＡ模块。由于试验动作复杂，信号繁多，加上被试件　安装拆卸麻烦，现场调试困难，故采用单片机和组态软　１．ｒ　创建仿真界面　１一＇　件开发了试验台仿真系统，完成试验台ＰＬＣ控制程序　一～●板光～●一　●●电一●．　展　～　　一邕　－＿＝●一Ｊ～一　控制程序写入ＰＬＣ　仿真调试。系统框架结构见图１所示。　图１　系统框图　８２５５输出信号　ＰＬｃ输入信号　［　５２１－４　ＰＬＣＣ０Ｍ口　三　２Ｋ：一：一　．　ＶＣＣ　——一。＝＝二‘ＴＬＰ￣Ｉ－４　。　３　１接地　系统由以下几个部分组成：仿真计算机、单片机　接口板和ＰＬＣ。仿真计算机主要用于仿真计算，接受　ＰＬＣ传输来的信号和提供给ＰＬＣ输入信号，为ＰＬＣ程序　调试提供仿真环境；单片机接口板完成仿真计算机与　ＰＬＣ的信号接口。　３系统硬件设计　硬件设计就是单片机接口板设计，主要包括单片　机与ＰＬＣ接口设计和单片机与ＰＣ机串口通信设计，下　面主要介绍单片机与ＰＬＣ接口设计。　６６　实用案例Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｃａｓｅ　１－ｒ　调入组态画面运行程序　１．ｒ　定义并初始化变量，界面　图形的位置和颜色　１．ｒ　数据连接、动画连接　’编制脚本程序　与ＰＬＣ交换数据及控制命令　刷新控制变量　１．ｒ　判别系统目前状态　１．ｒ　根据接收到的控制信号判断　仿真控件应进行的动作　１．ｒ　执行相应的动作过程　发出控制状态信号　／　Ｎ　＼＼＼　／／　警　Ｎ　图３　仿真程序流程图　测控信号有４６路ＤＩ、４８路ＤＯ、４路ＡＩ和４路　ＡＯ，所以要对单片机进行Ｉ／０口扩展。开关量信号共　有９４路，采用６片８２５５即可；ＡＩ信号（对单片机而言　是ＡＯ信号）采用４片ＤＡＣ０８３２，ＡＯ信号（对单片机而　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００７年第１１期　计算机系统应用　言是ＡＩ信号）采用１片ＡＤＣ０８０９。由于ＰＬＣ是通过触　点的断开和闭合来实现控制功能，工作电压为ＤＣ２４Ｖ，　５　调试　系统运行后，单片机定时扫描其扩展端口，如果　所以与单片机连接时，要进行接口电平转换，本文采用　１２个四光电藕合器ＴＬＰ５２１—４来实现９６路开关量信　号的电平转换，光电隔离电路图见图２所示，这些芯片　的使用在很多文献中有详细介绍　，本文在此不再敷　叙ｏ　ＰＬＣ有输出信号，则单片机将这些信号按协议打包发　送给ＰＣ机中的组态仿真程序，仿真程序根据这些信号　模拟控制对象的运动，产生运动数据，然后将这些数据　按协议打包发送给单片机，单片机再把这些数据解包　发送给ＰＬＣ，ＰＬＣ按照这些输入信号运行，这样　就形成了一个完整的闭环试验过程。由于ＰＬＣ　的Ｉ／Ｏ口与外部环境物理连接，所以ＰＬＣ控制　程序的输入输出继电器不需要用中间继电器代　替，在仿真状态中对ＰＬＣ控制程序的错误和缺　陷进行检测和修正后，不需要对ＰＬＣ程序再做　修改，就可以进行现场实际联机调试。　６结论　本系统采用单片机和组态软件实现了ＰＬＣ　控制系统的仿真测试，在调试液气联调试验台　控制程序时可以非常逼真地观察到系统的工作　图４　编写脚本程序　过程，发现ＰＬＣ控制程序的错误和缺陷，并对程　序进行修改和测试直到完全正确。系统运行稳　定，效果良好，大大提高了效率，节省了成本，降低了风　４组态仿真程序设计　由于组态软件数据库中的变量能够很方便地与　ＰＬＣ内部各种继电器的状态关联，并且组态变量与图　形界面也能方便地进行动画连接，所以仿真程序采用　组态软件开发，本系统采用力控３．０组态软件编写。　利用组态软件设计ＰＬＣ控制系统的虚拟控制对象　是指在计算机上运行事先编写好的组态仿真程序，用　软件来代替硬件（试验台）工作，借助组态界面观察和　检验ＰＬＣ的控制过程和接过是否正确，并对错误进行　险。系统可移植性强，特别是对大型ＰＬＣ控制系统的　调试仿真，非常具有参考价值。　参考文献　１蔡启仲，双可编程控制器仿真系统［Ｍ］，北京：机械　工业出版社．１９９３．１．　２周永勤、周关兰、颜景斌等，基于组态技术虚拟被控　对象的ＰＬＣ仿真实验研究［Ｊ］，哈尔滨理工大学学　报，２０ｏ４，９（６）：７—９．　修改，其仿真程序流程图见图３所示。　在整个流程中，最重要的是编写脚本程序，力控提　３袁云龙，基于组态软件的ＰＬＣ控制系统仿真实现　［Ｊ］，自动化仪表，２００６，２７（５）：５７—６１．　４魏祥祯，基于组态软件的ＰＬＣ虚拟控制装置开发　［Ｊ］，闽西职业技术学院学报，２００６，（１）：１２６—１２８．　５陈宝江，ＭＣＳ单片机应用系统实用指南［Ｍ］，北京：　机械工业出版社．１９９７，７．　供了丰富的脚本函数，对于复杂的控制过程还提供了　策略控制器　，借助这些工具，可以编写复杂的仿真程　序，模拟试验台的运动过程。图４就是模拟１号缸运　动的脚本程序。　６马国华，监控组态软件及其应用［Ｍ］，北京：清华大　学出版社，２００１，８，　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｃａｓｅ实用案例　６７