（计算机软件与理论专业论文）plc整体仿真.pdf

上海师范人学硕十学位论文p l c 整体仿真 摘要 计算机仿真技术己经较为成熟，而p l c 的计算机仿真还处于摸索阶段，以p l c 为核心的 控制系统的开发现在还停留在传统的方式上运行。这种方式使硬件设计和软件编程分开：一 次成功率低，需经过多次反复才能完成。这样就大大延长了开发周期，提高了开发成本：而 且有些可靠性试验无法进行，给系统留下隐患。同时p l c 作为工科机电专业需要掌握的一门 重点专业课，学生学习中的大量例题、作业、设计都没有机会实际验证是否能真正使用，全 停留在理论和逻辑推理，显然不能达到教学初衷，但是解决这问题又比较困难。有必要设计 一种软件，为调试p l c 系统提供了虚拟环境，能通过操作该仿真系统来检验系统设计的合理 性和p l c 程序设计的正确性，这样可以大大缩短p l c 控制系统的设计、调试周期，成本也将 大为降低。我们利用计算机仿真技术，研制了一套p l c 系统计算机仿真平台软件，包括p l c 部分、外围电路、以及控制对象的仿真。该软件是在深入分析p l c 系统的工作原理和工作过 程的基础上，采用c + + 在v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 平台上开发而成。用户可以通过本软件编写 梯形图程序，并能转换成指令语句，以更好观察其逻辑表达式。软件能够解释大多数指令， 使得在无p l c 控制对象情况下，也能检验自己设计的p l c 程序的正确性。同时该系统能仿真 p l c 控制系统的外围设备，如按钮开关，行程开关，电动机，传感器等，使得用户可以利用 系统所提供的基本元器件组成部分根据需要，自己定义所需的电子元器件，利用这些元器件 同以编译好的p l c 模块自由搭建p l c 输入输出部分的电路。最后系统对于控制对象进行了仿 真，使用动画程序模拟几种典型的控制对象，使得在完成编辑梯形图以及搭建外围电路后， 可以通过对象的运行状态观察实验结果。该系统的创新之处在于使p l c 的整体设计、编程、 实现、调试均在计算机上完成，不仅实现了p l c 内部的仿真，同时对外部电路已经最后的控 制对象都进行了仿真实现，通过对特定实例的分析，证明该软件能够高效、安全、低成本地 开发p l c 系统，有一定的工程应用价值。 关键词：p l c 系统，计算机仿真，电路仿真，电子元器件 h 上海师范大学硕士学位论文p l c 整体仿真 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e rs i m u l a t i o ni s a l r e a d yv e r ym a t u r e ，b u tt h e s i m u l a t i o nf o rp l ci ss t i l lo nt h ew a yo fg r o p i n g t h ed e v e l o p m e n to fp l c s i m u l a t i o ns e p a r a t e sh a r d w a r ed e s i g n i n ga n ds o f t w a r ep r o g r a m m i n g ，w h i c hd e l a y s t h ec y c l eo fe x p l o i t a t i o na sw e l la si n c r e a s i n ge x p l o i t a t i o nc o s t a tt h es a m et i m e ，a sa v e r yi m p o r t a n tc o u r s ei nc o l l e g e ，p l ci ss t u d i e db ys t u d e n to n l yt h r o u g ht h ew a yo f t h e o r ya n dl o g i cr a t i o c i n a t i o n ，w h i c hm e a n st h er e s u l t ，i sn o te f f i c i e n c y as o f t w a r ei s n e e d e dt oo f f e rav i r t u a lc i r c u m s t a n c et od e b u gp l cs y s t e m ，i no r d e rt oc u tt h ec y c l e o fd e s i g n i n ga n dd e b u g g i n g o u rs o f t w a r eo fc o m p u t e rs i m u l a t i o ni sd e v e l o p e df o r p l cc o n t r o ls y s t e mu s i n gt h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，i n c l u d i n gt h e s i m u l a t i o no fp l c ，c i r c u i ta n dt h ec o n t r o l l e do b j e c t t h es o f t w a r ei sd e s i g n e db y t h el a n g u a g eo fc + + i nv i s u a ls t u d i o2 0 0 5p l a t f o r m t h eu s e r sc a l ld e s i g nl a d d e r p r o g r a mb yt h i ss o f t w a r e ，a n dc h a n g et h el a d d e rp r o g r a mi n t oi n s t r u c t i o np r o g r a mt o o b s e r v et h er e s u l t a n dt h e nu s e rc a nu s et h ec h i pe l e m e n t si nt h el i b r a r yo ru s et h e c h i pd e s i g n e db yu s e r st ob u i l dt h ec i r c u i to u t s i d ep l c a tl a s t ，u s e r sc a nj u d g et h e r e s u l t st h r o u g ht h ec o i l s ，o ro b s e r v i n gt h er e s u l to fs o m et y p i c a lc o n t r o l l e ro b j e c t s ， w h i c hi ss h o w nb ya n i m a t i o n t h ei n n o v a t i o no ft h i ss y s t e mi st h a tt h es y s t e mh a s r e a l i z e dt h ed e s i g n 、p r o g r a m 、r e a l i z a t i o na n dd e b u g g i n go fp l c t h i ss y s t e mn o t o n l yh a sr e a l i z e dt h es i m u l a t i o no fp l c i t s e l fb u ta l s or e a l i z e dt h ec i r c u i to u t s i d ep l c a n dp l cc o n t r o l l e ro b j e c t s t h ea n a l y s i so ft h et y p i c a lo b j e c t sp r o v e dt h i ss o f t w a r e c a nd e v e l o pp l c s y s t e me f f i c i e n t l ya n ds a f e l yw i t hl o wc o s ta n dh i g hv a l u e k e yw o r d s ：p l cc o n t r o ls y s t e m , c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，c i r c u i ts i m u l a t i o n ，c h i pe l e m e n t s 论文类型：软件开发 i i i p l c 整体谤襄前言 前言 p l c 叫可编程控制器，是工科机电专业需要掌握的- f l 重点专业课。但是该 教学需要组建一个大型p l c 实验室，需要购买4 0 台以上的p l c 及其配套编程器 和相应的外部设备，同时需要专业人员将其组装、焊接成单板式实验电路板。另 外根据实验内容还要购买所需的不同的被控制对象，如步进电机、机床等等。投 资巨大、组建周期长，并且开设实验小能灵活变更，否则仍需后续投资。 在工业实际现场，要求设备操作方便，管理维护简单，设备能长期稳定无故 障运行，同时也要求p l c 能根据各种突发情况，做出实时的正确的反应，因此要 求在p l c 控制系统的调试时能模拟各种运行情况，检验程序设计的正确性及完备 性。这样设计人员若要模拟实际工况，就必须在有p l c 的情形下，通过现场或实 验室的各种开关、按钮来模拟现场情况，这就给模拟带来一定的局限性，并且有 些工作情况是难以进行模拟的。这样，设备的调试需要花费大量的时间，况且很 难给用户提供系统各种运行情况下的外部商观响应。 以前的解决办法就是选择少数几个典型实验到本地的莱些企业、研究所去做 实验，花费也很大，并且实践机会十分有限。学生学习中的大量俩题、作业、设 计都没有机会实际验证是否能真正使用，全都停留在理论和逻辑推理，显然不能 达到教学初衷，但是解决这问题又比较困难。 针对这一问题，通过仔细分析p l c 的结构特点，可以看出p l c 是种基于计算机 体系理论，以工业控制特点为主要考虑而设计的数字化智麓设备，因此完全有条 件利用计算机及其仿真技术开发出一套p l c 仿真软件，将计算枫仿真为p l c 环境， 使工程人员以及学生可以在虚拟p l c 仪器上完成p l c 程序的调试，同时花费极小。 学生课余时闻也可去练习。另外我们还可以利用计算桃仿真技术与系统建模技术 相结合，制作配套的外部设备仿真软件将电机、大型机床、生产线虚拟纯，用户 可以在计算机上作很多实验，也可灵活根据实际加入新的实验，不需任何投资。 i v 上海师范人。学硕士学位论文p l c 整体仿真 学位论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以 标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研 究的启发和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表示了谢意。 论文作者签名： 食诠涂 论文使用授权声明 日期：2 0 0 8 年4 月8 日 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论 文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、 缩印或其它手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 论文作者签名： 徐吟砼 日期：2 0 0 8 年4 月8 日 翮戳：日飙嘲乡加虬、彳 第一章本研究课题的背景、意义及内容 1 1 系统仿真简介 第一章本研究课题的背景、意义及内容 1 1 1 系统仿真的简单介绍 仿真( s i m u l a t i o n ) 实质上是通过对系统模型的实验去研究一个存在的或设计 中的系统。这里的系统包括技术系统，如土木、机械、电气、机电、水力、声学、 热学等，也包括非技术系统，如社会、经济、生态、生物和管理系统等。模拟仿 真技术是系统模型的一种系统动态模型，它要根据外界各参量的变化做出相应的 调整，以使最终模型能比较准确地在现实生活中应用。仿真技术从最早应用于航 空航天领域，到今天己经广泛应用于机械制造、电气、水力、社会、经济、生态、 生物等各个领域。 系统仿真的分类方法主要有以下几种。根据计算机分类，可以分为模拟计算 机仿真、数字计算机仿真以及模拟数字混合仿真。其中模拟计算机仿真是将系统 模型编排在模拟计算机上并使之运行。而数字计算机仿真，即将系统模型用一组 程序来描述并使它在数字计算机上运行。模拟数字混合仿真，将系统模型分为两 部分，一部分在模拟计算机上，一部分在数字计算机上，两者之间利用a d ，d a 转换，交换信息。二是根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类，分为实时仿真、 欠实时仿真以及超实时仿真。实时仿真中仿真时钟与实际时钟是一致的。而欠实 时仿真中仿真时钟比实际时钟慢。超实时仿真，则是仿真时钟比实际时钟快。三 是根据系统模型的特性分类，分为连续系统仿真，即系统模型中的状态变量是连 续变化的；离散事件系统仿真，即系统模型中的状态变量只在某些时刻由于某种 事件而发生变化，这种模型不能表示为方程式，只能用逻辑条件或流程图来表示。 1 1 2 系统仿真的步骤及仿真模型 建立模型是仿真的第一步，也是十分重要的一步。对于计算机仿真，需要在 第一章本研究课题的背景、意义及内容 计算机上建立起适合计算机处理的形式，称为仿真数学模型。 建立计算机模型( 仿真数学模型) 很重要的一点是要具有实验的性质，即模型 与对象的功能及参数之间所具有的相似性和对应性，以下是对其简单的介绍。 在许多实际控制系统，如：生产调度、交通管理、库存控制中，系统的状态 只在离散时刻发生变化。例如，一条由八b c 三台机床组成的机械零件加工生 产线，假如八b ，c 都正在进行加工，那么在没有新的毛坯进入生产线及各机床 没有一台完成当前的加工时，系统状态将保持不变，只有当新的毛坯进入生产线 或任何一台机床己完成当前的加工时，系统状态才发生了变化。将引起系统状态 变化的行动称为事件。如上述系统中的上车或下车的行动，毛坯到达或机床加工 完毕的行动等。这类系统被称为离散事件系统。分析和研究离散事件系统比分析 连续系统更加需要仿真技术，这是因为：离散事件系统一般带有随机特性，即事 件的发生一般不是确定性的，而是遵循某种概率性分布：离散事件系统的动态特 性很难用一组方程式来描述，一般只能用系统的活动图或流程图来描述。 1 1 3 系统仿真的意义及其发展应用 纵观仿真技术的应用领域逐渐扩大的历史，可以得出以下有意义的结论。 罐仿真技术在应用方面的高安全性一直是其获得广泛应用的最主要的原因，尤 其是航空、航天、武器等研究领域在过去曾是仿真技术应用的最主要领域， 而且到现在仿真技术仍然在这些领域中占据着很大的比重。 矗仿真技术在应用方面具有可观的经济性也是被采用的十分重要的因素，几乎 所有的大型发展项目的研究中，如阿波罗登月计划等，都广泛采用仿真技术。 这是因为，这些项目投资极大，有相当的风险，而仿真技术的应用可以使投 资风险大幅度降低。 矗仿真技术一般是从学院式的局部应用走向全面应用，其标志是针对某些领域 的仿真而设立的仿真中心。 纵观系统仿真发展的历史，仿真技术是与控制工程、系统工程及计算机的发 2 第一章本研究课题的背景、意义及内容 展密切相关的，正是控制工程、系统工程促进了仿真技术的广泛应用，计算机的 发展为仿真技术提供了强有力的工具。 在系统运行时，利用仿真模型作为观测器，给用户提供有关系统过去的现在 的甚至是未来的信息，以便用户实时做出正确的抉择。在系统运行前，利用仿真 模型作为预测器，向用户提供系统运行起来后，可能产生什么现象，以使用户修 订计划或决策。 纵观系统仿真发展的历史，仿真技术是与控制工程、系统工程及计算机的发 展密切相关的，正是控制工程、系统工程促进了仿真技术的广泛应用，计算机的 发展为仿真技术提供了强有力的工具。 系统仿真的应用大致可分为采用仿真技术对己有系统进行分析和采用仿真 技术对尚未有的系统进行设计。 在系统运行时，利用仿真模型作为观测器，给用户提供有关系统过去的现在 的甚至是未来的信息，以便用户实时做出正确的抉择。 在系统运行前，利用仿真模型作为预测器，向用户提供系统运行起来后，可 能产生什么现象，以使用户修订计划或决策。利用仿真模型作为训练器，训练系 统操作人员或管理人员。 因为仿真技术在实现的可能性、安全性、准确性、方便性等方面具有明显的 优点，所以在控制工程和系统工程的研究中获得广泛的应用。 1 2 课题背景 1 2 1p l c 所面临的问题 随着p l c 越来越为广泛的应用，p l c 在工业以及教学上所面临的问题也越来 越为明显。 3 第一章本研究课题的背景、意义及内容 1 2 i 1 工业上 在实际现场，要求设备操作方便，管理维护简单，设备能长期稳定无故障运 行，同时也要求p l c 能根据各种突发情况，做出实时的正确的反应，因此要求在 p l c 控制系统的调试时能模拟各种运行情况，检验程序设计的正确性及完备性。 这样设计人员若要模拟实际工况，就必须在有p l c 的情形下，通过现场或实验室 的各种开关、按钮来模拟现场情况，这就给模拟带来一定的局限性，并且有些工 作情况是难以进行模拟的。这样，设备的调试需要花费大量的时间，况且很难给 用户提供系统各种运行情况下的外部直观响应。 另外，在实际生产应用中，编好的程序必须先经过严格的检查、校验才能下 载到处理器里运行；其次，一个庞大的工程可能包含许多小的子程序，这些程序 可由不同的人来编写，如果每个人都要将程序下载到处理器来检查和运行，势必 造成管理的混乱和时间的浪费，这样也不利于做到协同设计，加快设计开发周期。 i 2 i 2 教学上 鉴于p l c 这种新型工业控制装置在工业应用中的重要性和广泛性，p l c 的教学 从8 0 年代中期开始在各类学校逐渐普及，己成为工业自动化、机电一体化等相关 专业的主要课程之一。全国各大专院校、各类职业技术学校现越来越重视p l c 方 面的教学。 p l c 是- - 1 3 专业性与实践性都很强的课程，实验教学在p l c 教学中具有举足轻 重的作用。在开设p l c 实验课程的过程中，学生必须通过实验才能够更加深刻地 理解p l c 编程的思想和具体的编程方法，在大多数学校中p l c 课程的实验教学内容 主要是p l c 的编程训练，但是却存在着相当多的问题。首先学生存在心理障碍。 由于大多数学生的动手能力没有得到很好地锻炼，所以面对昂贵的实验设备不敢 大胆动手，每一个步骤都需要老师全程指导。同时，学生在课余时间自己无法练 习编程。学生在课余时间如果采用书面的书写方式编程无法验证编写的程序是否 4 第一章本研究课题的背景、意义及内容 卜确。 另外，教师在授课的同事必须配合理论课的进程，适时安排实验，以便及时 地把理论知识转化为看得见、摸得着的控制过程。而实验教学就离不丌实验室的 建设，实验室建设的好坏直接影向着个学校教学质量。因此各学校在p i c 实验 窀建设方面都投入了大量的时i 、【t j 和精力，但足由于各个学校教育资源存在差异， 因此在实验教学手段上也有所不同，综合起来大概有以下几种一j 。c ： 0 仪仅以p l c 来进行实验教学，而没有控制对象，学生用编程器对p l c 进行编程 之后，通过观察输出 j 的状态末确定程序的运行情况。在这类教学方式中， 学生往往只能进行验证性校验，没有条件进行外闱设备的连接和控制。 4 建立简易的实验窒，这种实验教学方式比较常用，学校一般根据实际的教学 情况，精选一些教学实验，然后由学校的老师自己搭建简易实验台，对一些 比较常用的控制对象进行控制，如交通灯，电机等。这种教学方式虽然让学 生有机会接触控制对象，但是由丁实验设备简单析导致实验内容单一，实验 效果并不理想。如图卜】。 图卜l o 购买专i 、j 的综合实验台，建立多功能实验窒。pl c 实验工作台，足在实验箱 基础上，j f ：发出的新一代实验没备，：j j 作台上配有 机，用指示灯或实物模拟 被控对象，可与上位机接，如图1 2 。p l c 主机的输入输出均已引到面板七， 输入可以接模拟输入丌关、行程丌关或光电丌关等，输出i j 了以接丽板卜的指 示灼、数妈管和继电器、直流电机和蜂呜器，还可以与演示装置相连接，演 和“ 表示关联和撤消关联。已 有关联的文本会从列表框中删除，撤消关联后，文本会加入到列表框中。 5 4 第六章控制系统仿真实现 6 3 对仿真系统的测试 图6 - 3 在完成对水塔水位自动控制系统的p l c 程序设计并下载到电路设计的“真实” p l c 中，同时水塔水位自动控制系统的电路设计中的电子元器件与系统仿真中的 “实物”相关联后，运行后便可以通过观察进水出水结果判断p l c 的程序正确与 否以及电路是否搭建正确。其中，对仿真系统正常操作是指水塔判断水位并自动 进行相应操作过程，期间假设系统没有任何故障，系统运行_ _ i f 确准则如下： 1 水池如果见底，表示缺水，此时电磁阀会打开，开始进水； 2 池水如果为满，电磁阀则关闭，停止进水： 3 如果水位正常，电池阀则保持初始状态。 4 如果水塔见底，水池未见底，水泵则丌； 5 如果塔水满，水泵则关闭； 6 若水塔水位正常，水池未见底，水泵保持状态； 7 若水塔水位未满，并且水池见底，水泵则关闭； 5 5 第七章研究总结和展望 7 1 研究总结 第七章研究总结和展望 本文主要对p l c 控制系统的计算机仿真技术进行了研究。由于p l c 的诸多优 点，已在自动控制领域得到了广泛应用，但是，还没有形成系统化、理论化的开 发方法。所以本文提出了用计算机仿真技术作为开发p l c 系统的辅助手段，并建 立了p l c 系统整体仿真平台。主要内容如下： 1 、对p l c 控制系统进行了分析研究。把系统分成p l c 部分、电路搭建部分以 及控制系统仿真部分，分析了各部分的特点和对仿真的要求。 2 、 对p l c 系统内部各“继电器”地址通过开辟虚拟内存条，使其得以很好 的运用。同时，通过系统定时器的处理使“特殊继电器 中的脉冲地址得以很好 的实现。 3 、通过允许地址的重命名，使用户在编写梯形图程序时除了输入地址，也 允许输入定义好的和地址相对应的符号名称，这样很好的方便了用户阅读理解程 序。 4 、基于仿真的目的对p l c 系统内部指令进行了完整的解释，其中包括难度 较大的各种指令，如计数器、可逆计数器、定时器、高速定时器以及脉冲、跳转 指令等。 5 、提供梯形图转换成指令语句的算法，使得用户可以从逻辑上更能清楚程 序。同时，该算法解决了其它算法不能实现分支指令t r 的问题，在判断程序语法 错误的同时，对于语法正确的任意梯形图都能转换为指令语句。 6 、提供梯形图运行结果面板，使得用户能轻易判断出程序的逻辑正确与否。 同时运行后的梯形图编辑器中能动态显示各“继电器的状态，是在仿真环境中 调试p l c 控制系统的有效工具。 7 、提供电子元器件编辑器，可以方便系统管理员自由添加所需的电子元器 第七章研究总结和震望 件，避免了电予元器件使用种类以及数量上的限制，提供了很大的设计空间。 8 、提供电路搭建平台，除了可以将以设计的p l c 程序下载到对应型号的“实 物p l c 中，可以利用已设计的电子元器件按照需求自由搭建p l c 外围电路。系统 对于所设计的电路提供运行后结果的动态展示。 9 、通过搭建完后的电路中的元器件和控制系统的“实物 器件相关联后， 提供典型控制系统通过p l c 控制后的动态展示。本文最后介绍了利用已建立的p l c 控制系统仿真平台实现水塔水位的自动控制，并利用该仿真软件对进水放水成功 地进行了多项测试。这既反映了真实的水塔水位的自动控制系统有很高的可靠 性，又证明了该仿真软件能较好地模拟真实系统，并能利用它来分析、测试真实 系统。应该说通过本次研究而建立的p l c 整体仿真平台有一定的工程应用价值， 是成功的。 7 2 研究展望 本文只是对p l c 控制系统仿真技术进行了初步的研究，随着可编程序控制器 技术和计算机仿真技术的发展，在已有的基础上我们还可以对以下几方面开展研 究工作。 1 、完善对p l c 功能的仿真。本次研究所建立的仿真平余只提供了用于逻辑控 制系统中最基本的功能。还应实现对诸如：高速计数、比较、传送数据等指令的 仿真。另外，随着p l c 技术的发展，p 托已越来越多地应用于对模拟量豹控制，所 以应增加对d a ，a d 转换及运算功能的仿真。 2 、进一步完善仿真的视觉效果。可以用三维的动画来实现对控制系统的仿 真实现。 3 、把仿真系统和真实系统相联接。除了对已仿真的系统可以进行控制外， 有时候为了方便使用，可以在计算机上加上适当的数据采集卡就可以利用仿真系 统来控制真实系统，使计算机代替p l c ，又具有监控的功能。这在工程中和教学上 都有定的现实意义。 5 7 上海师范大学硕士学位论文p l c 整体仿真 参考文献 【1 】1 郝战存可编程控制器发展综述河北工业科技，2 0 0 4 ，2 1 ( 2 ) ：5 3 - 5 7 【2 】武峰可编程控制器p l c 的基本原理及应用电子世界，2 0 0 2 ( 1 1 ) ：3 1 - 。王俊福 p l c 系统及应用设计黑龙江冶金，1 9 9 8 ( ：3 4 3 6 【3 】贺秀良，用n e 5 5 6 实现s r a m 编程的程序控制器，电子技术，v 0 1 3 ，1 9 9 2 ， p e 3 8 4 0 【4 】王利洞，p c 编程新法，机电工程，v 0 1 3 ，1 9 9 2 ，p e 2 3 2 4 【5 】李晓敏，p c 编程中的几点特殊应用，由东机械，v 0 1 3 ，1 9 9 1 ，p e 3 8 3 9 【6 】邓金源，可编程控制器( p c 机) 的使用编程法，机床与液压，v 0 1 5 ，1 9 8 9 ，- p p 4 8 5 6 f 7 】鞠勇，面向实际工程应用的p l c 实验室建设。实验室研究与探索， 2 0 0 2 ，