基于开物2000、PLC 和I/O 扩展的训练模拟器-论文发布
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作者：张乔斌1 邢继峰1 蒋维伟2 孙霖3　发布时间：　来源：1．海军工程大学；2．湖南安化二轻工业局；3．海军驻431 厂军代室　
摘要：介绍了一种在大规模数字I/O 扩展的基础上由通用监控系统支撑软件ControX(开物)2000 和FP0_C32 型PLC 控制的训练模拟器。运行结果表明，该训练模拟器完全达到了设计规定的性能指标和要求，且运行可靠。关键词：co
摘要：介绍了一种在大规模数字I/O 扩展的基础上由通用监控系统支撑软件ControX(开物)2000 和FP0_C32 型PLC 控制的训练模拟器。运行结果表明，该训练模拟器完全达到了设计规定的性能指标和要求，且运行可靠。关键词：controX(开物)2000；PLC；数字I/O 扩展；训练模拟器中图分类号：TP273
文献标识码：B文章编号:(- 0039- 03Abstract: This paper introduces the training simulator which is based on large - scale digital I/O extension and controlled by PLC of FP0_C32 and a General - Purpose software controX2000 for control- monitor. The operation results show that the training simulator has achieved the performances and the demands set in design, and works steadily.Keyword: ControX2000; PLC; digital I/O training simulator1 引言
可编程控制器（PLC）是一种以微处理器为核心，带有指令存储器和输入、输出接口，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。PLC 具有可靠性高、编程简单、通用性好、功能强大、体积小、功耗低、设计施工周期短等特点，其应用领域已覆盖了所有工业企业。本模拟器中采用日本松下电工株式会生产的输入、输出均为16 路的FP0_C32 型可编程控制器。
大规模数字I/O 扩展是针对被监控系统中由于数字I/O 量非常多,但普通的数字I/O 卡无法满足需求而提出的一种I/O 扩展方法。由于此模拟器的研制需要近千个I/O 通道，因此采用了一种32 路光电隔离多通道数字I/O 板。与FP0_C32 型PLC 配合使用，以指示灯或开关为例，共能采集4096 种开关状态，同时控制1024 个指示灯。
ControX2000 通用监控软件是由北京华富惠通公司开发的一种先进的工业控制用软件，它融过程控制设计、现场操作以及资源管理于一体。该软件功能强大，组态方式灵活，拥有庞大的驱动程序库，支持几百种常用的硬件设备，与PLC 的通信非常方便，在生产过程参数监控和生成人机交互界面中也具有巨大的优势。因此，笔者采用ControX2000 软件与FP0_C32 型PLC 共同完成对本模拟器的监控， 在PLC 和ControX2000中如何编程是本设计的关键所在。2 系统结构
该模拟器采用安装有ControX2000 软件的工业控制计算机作为系统主控和人机界面显示。由于被监控设备和控制计算机距离较近，因此采用RS- 232 端口和FP0_C32 型PLC 进行实时数据交换。PLC 通过16路输入端口采集数据，同时通过16 路输出端口送出数据。系统结构如图1 所示。
系统结构示意图
下面以读取开关状态和控制指示灯为例简要说明PLC 通过32 路光电隔离多通道数字I/O 板监控设备的原理。在使用PLC 的16 路输出时，将其分为高8位和低8 位，高8 位表示用来输出选中一组设备（8 个灯或8 个开关状态为一组设备）的地址。低8 位用来输出控制指示灯的数据，该数据中的二进制数位为1则该灯亮，为0 则该灯灭，255 表示这一组的8 个灯全亮。如果要使第6 组设备的第5 个灯亮则PLC 输出数据为6×256＋8＝1544，如果要读取处于第128 组开关设备的状态则PLC 先输出数据128×256＝32768，然后通过16 路输入口读取表示该组开关状态的数据，通过对该数据的分析则可知该开关处于什么位置。3 PLC 的基本工作原理及编程设计3.1 PLC 的基本工作原理
PLC 的工作方式为循环扫描方式，工作过程大致分为3 个阶段，即输入采样、程序扫描和输出刷新。PLC 重复地执行上述3 个阶段，周而复始。每重复一次的时间称为一个扫描周期。1．输入采样
PLC 在系统程序控制下以扫描方式顺序读入输入端口的状态（如开关的接通或断开），并写入状态寄存器，此时输入状态寄存器被刷新。接着转入程序执行阶段。在程序执行期间，即使输入状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变。输入状态的改变只能在下一个扫描周期输入采样到来时，才能重新读入。2．程序执行
PLC按照梯形图先左后右，先上后下的顺序扫描执行每一条用户程序。执行程序时所用的输入变量和输出变量，是在相应的输入状态寄存器和输出状态寄存器中取用，运算的结果写入输出状态寄存器。3．输出刷新
将输出状态寄存器的内容传送给输出端口，驱动输出设备，这才是PLC 的实际输出。
PLC 的工作原理与计算机的工作原理基本一致，都是通过执行用户程序实现对系统的控制。但是在工作方式上两者有很大差别。计算机在工作过程中，如果输入条件没有满足，程序将等待，直到条件满足才继续执行。而PLC 在输入条件不满足时，程序照样顺序往下执行，它将依靠不断地循环扫描，一次次通过输入采样捕捉输入变量。但由此带来的问题是，如果当扫描到来时输入变量在此期间发生变化，则本次扫描期间输出就会有相应的变化。如果在本次扫描之后输入变量才发生变化，则本次扫描周期输出不变，只有等待下一次扫描输出才会发生变化。这就造成了PLC 的输入与输出响应的滞后，甚至可滞后2～3 个周期。尽管这种响应滞后对工业设备来说是完全允许的，但表明只有当输入变量满足条件的时间大于扫描周期，这个条件才能被PLC 接收并按程序执行。这种现象在对PLC 编程设计时应给予高度重视，否则将不能得到正确的输出结果。3.2 PLC 的参数设置及编程设计本模拟器采用FP0_C32 型PLC，其通信参数设置如下：网络类型：RS232
串行端口：COM2
波特率： 9600 bps
数据长： 8 位停止位： 1 位
奇偶校验：奇
鉴于PLC 的工作原理和本模拟器的实际情况，为消除PLC 的输入与输出响应滞后的影响，保证PLC 输出的实时性和准确性，笔者用符号梯形图在PLC 中编程（部分）如图2 所示：
PLC中的编程注释：V1：CT100 为一减计数器，当R9012 继电器接通时其内部计数器数值减1，当减到0 时C100 继电器接通，计数器复位。2：当EV100＝49 时，将输出寄存器的高8 位置128。“128”是一组开关设备的地址，下面的129、130、131 的意义与128 同。3：当EV100＝48 时，将DT0 送至输出寄存器，并将输入寄存器的数值保存在DT128 中。4：当EV100＝47 时，将输出寄存器的高8 位置128。这一步不可省。5：当EV100＝46 时，将DT1 送至输出寄存器。6：当EV100＝45 时，将输出寄存器的高8 位置129。7：当EV100＝44 时，将输入寄存器的数值保存在DT129 中，将输出寄存器的高8 位置130。8：当EV100＝43 时，将输入寄存器的数值保存在DT130 中，将输出寄存器的高8 位置131。说明：1、DT0 和DT1 中存贮的是从ControX2000 中获得的表示灯的状态的数据，所有表示灯的状态的数据都通过这两个寄存器由PLC 送出。因此PLC 和ControX2000中的编程应精确设计，确保DT0 或DT1 中的数据再次变化之前PLC 已经将它们送出，否则将丢失数据。2、每次PLC 将DT0 或DT1 送往输出寄存器之前必须将输出寄存器的高8 位置128，且地址为128 的设备必须为开关或为空。否则灯的状态将不能正确显示。3、在电路设计时应尽量使有可能在同一时刻产生状态变化的灯分在同一组设备内，上面的设计可让2 组（16 个）灯在同一时刻发生状态变化。也可跟据需要增加具有DT0 功能数据寄存器的数量。4、DT128、DT129、DT130 中存贮的是表示开关状态的数据，编程设计应使这些数据在再次变化之前已被ControX2000 取走。5、如果读取的开关设备组数较多，应在编程中增加将DT0 或DT1 送往输出寄存器指令的次数，以保证灯的状态能实时的发生改变。4 ControX2000 中的编程设计在ControX2000 的工程游览窗口的“硬件系统”中新建名为“PLC”的设备，建立与FP0_C32
controx2000的标签变量表标签类型 变量名 主设备 主地址 扫描周期开关量 n1-n4 内存
开关量 m1-m4 内存
I/O标签 DT0 PLC DT0 10msI/O标签 DT1 PLC DT1 10msI/O标签 DT128 PLC DT128 10msI/O标签 DT129 PLC DT129 10msI/O标签 DT130 PLC DT130 10ms型PLC 连接，计算机串行口参数设置应与PLC 中的完全一样。建立标签变量如表1 所示。在图页中建立名为a1 的图页变量，扫描步长为4，在扫描事件中编写如下程序：{读取开关状态数据并判断}if (DT128.Value and 1)=1 then n1.Value:=0;{开关n1 处于关的状态}if(DT128.Value and 2)=2 then n1.Value:=- 1;{开关n1 处于开的状态}if (DT128.Value and 4)=4 then n2.Value:=0;if (DT128.Value and 8)=8 then n2.Value:=- 1;if (DT128.Value and 16)=16 then n3.Value:=0;if (DT128.Value and 32)=32 then n3.Value:=- 1;if (DT128.Value and 64)=64 then n4.Value:=0;if (DT128.Value and 128)=64 then n4.Value:=- 1;if (DT129.Value and 1)=1 then m1.Value:=0;{开关m1 处于关的状态}if(DT129.Value and 2)=2 then m1.Value:=- 1;{开关m1 处于开的状态}if (DT129.Value and 4)=4 then m2.Value:=0;if (DT129.Value and 8)=8 then m2.Value:=- 1;if (DT129.Value and 16)=16 then m3.Value:=0;if (DT129.Value and 32)=32 then m3.Value:=- 1;if (DT129.Value and 64)=64 then m4.Value:=0;if (DT129.Value and 128)=64 then m4.Value:=- 1;{判断指示灯的状态并给DT0 和DT1 赋值}if (a1.dvalue0n1.Value) or (a1.dvalue1 m1.Value) then beginDT0.Value: =- n1.Value*1 - n1.Value*2 - n1.Value*4 - n1.Value*8 - n1.Value*16 - n1.Value*32 - n1.Value*64- n1.Value*128+x*256;DT1.Value: =- m1.Value*1 - m1.Value*2 - m1.Value*4 - m1.Value*8 - m1.Value*16 - m1.Value*32 - m1.Value*64- m1.Value*128+y*256;a1.dvalue0:=n1.Va1.dvalue0:=n1.V{ a1.dvalue0 和a1.dvalue1 分别用来贮存由开关n1 和m1 控制的灯的状态，这两组灯有可能在同一时刻发生状态改变，如果该灯的状态发生变化则刷新DT0 和DT1 中的数值，x 和y 分别是上面两组灯的地址数据}5 结论
本模拟器在采用大规模数字I/O 扩展板的基础上，由ControX2000 和PLC 相互配合，共同完成对硬件设备的监控。PLC 完成对硬件设备的数据采集和控制等任务，ControX2000 作为主程序，完成友好的用户界面开发和逻辑运算等工作。运行结果表明，该系统运行稳定、可靠，完全达到了设计规定的性能指标和要求，而且节约了成本，是一种经济、实用、可靠的模拟系统。参考文献：[1]李树雄, 李全利. 可编程序控制器原理及应用教程[M]. 北京航空航天大学出版社, 2003.[2]Programmable controller FP0 programming [M]. Matsushita ElectricWorks, Ltd. 200304[3]彭利坤, 邢继峰, 朱石坚等. 一种大规模数字I/O 通道的扩展法[J]. 海军工程大学学报, ): 57~59.[4]controX(开物)2000 用户手册[EB/OL]. http://www. 作者简介：张乔斌（1972- ），男，硕士研究生，研究方向为舰船运动仿真，E- mail：；邢继峰，男，教授，硕士生导师，研究方向为仿真技术、并联机器人和数字液压技术等，E- mail：.Author br ief introduction: Zhang qiao- bin, 1972,male, master, studying in the Naval University of Engineering.Research interest is dynamiXing ji- feng, 1960, male, professor, working and teachingin the Naval University of Engineering. His researchinterest includes the simulation technology, parallelrobot mecha- nism and digital hydraulic technology.（430033 湖北武汉海军工程大学204 教研室）张乔斌 邢继峰（湖南安化二轻工业局) 蒋维伟（海军驻431 厂军代室）孙霖
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6 DO 24 V DC;2 AI 0 - 10V DC,POWER SUPPLY: DC20.4 - 28.8 V DC,PROGRAM/DATA MEMORY: 50 KB6ES-0XB0SM1221 数字量输入模块, 8 输入24V DC6ES-0XB0SM1221 数字量输入模块, 16 输入24V DC6ES-0XB0SM1222 数字量输出模块, 8输出继电器6ES-0XB0SM1222 数字量输出模块, 8输出24V DC6ES-0XB0SM1222 数字量输出模块, 8输出切换继电器6ES-0XB0SM1222 数字量输出模块, 16输出继电器6ES-0XB0SM1222 数字量输出模块, 16输出24V DC6ES-0XB0SM1223 数字量输入输出模块 8输入24V DC/ 8输出继电器6ES-0XB0SM1223 数字量输入输出模块 8输入24V DC/ 8输出24V DC6ES-0XB0SM1223 数字量输入输出模块 16输入24V DC/ 16输出继电器6ES-0XB0SM1223 数字量输入输出模块 16输入24V DC/ 16输出24V DC6ES-0XB0SM1223 数字量输入输出模块 8输入120/230V AC/ 8输出继电器6ES-0XB0SM1231 模拟量输入模块 4AI 13位分辩率6ES-0XB0SM1231 模拟量输入模块 4AI 16位分辩率6ES-0XB0SM1231 模拟量输入模块 8AI 13位分辩率6ES-0XB0SM1231 热电阻模块 4RTD 16位分辩率6ES-0XB0SM1231 热电偶模块 4TC 16位分辩率6ES-0XB0SM1231 热电阻模块 8RTD 16位分辩率6ES-0XB0SM1231 热电偶模块 8TC 16位分辩率6ES-0XB0SM1232 模拟量输出模块 2AO 14位分辩率6ES-0XB0SM1232 模拟量输出模块 4AO 14位分辩率6ES-0XB0SM1234 模拟量输入输出模块 4AI/2AO6ES-0XB0CM1241 RS485 /422通讯模块6ES-0XB0CM1241 RS232通讯模块6ES-1XB0CB1241 RS485信号板通讯模块6ES-0XB0CM1278 I/O Line Master6ES-0XB0SB1221 数字量信号板模块,支持5V DC输入信号, 4输入 5V DC,最高频率200KHZ6ES-0XB0SB1221 数字量信号板模块,支持24V DC输入信号,4输入 24V DC ,最高频率200KHZ6ES-0XB0SB1222 数字量信号板模块 支持5V DC 输出信号, 4输出 5V DC,最高频率200KHZ6ES-0XB0SB1222 数字量信号板模块 4输出 24V DC 0.1A 最高频率200KHZ6ES-0XB0SB1223 数字量信号板模块 2输入24V DC/ 2输出24V DC6ES-0XB0SB1223 数字量信号板查模块,支持5V DC输入信号,2输入 5V DC/2输出 5V DC 0.1A,最高频率200KHZ6ES-0XB0SB1223 数字量信号板模块,支持24 V DC输入信号, 2输入24V DC/ 2输出24V DC 0.1 A ,最高频率200KHZ6ES-0XB0SB1232, 模拟量信号板模块, 1AO6ES-0XB0SB1231, 模拟量信号板模块, 1AI, 10位分辩率, (0-10V)6ES-0XB0SB1231, 热电阻信号板模块,1 RTD& 类型: Platinum (Pt)6ES-0XB0SB1231, 热电偶信号板模块,1 TC1&& 类型: J, K6ES-0AA0S7-1200 4M 存储卡6ES-0AA0S7-1200 12M 存储卡6ES-0AA0S7-1200 24M 存储卡6ES-0AA0S7-M 存储卡6ES-0AA0S7-1200 2G 存储卡6ES-0AA0S7-1200 32G 存储卡6ES-0XA01214C 模拟器6ES-0XA0C 模拟器6ES-0XA0S7-1200CPU 2路模拟量输入模拟器6ES-0XA01217C模拟器，14输入通道，其中10通道为24V直流输入，4通道为1.5V差分输入开关6ES-0XA0S7-1200 模块扩展电缆& 2.0 米6ES-0XA0S7-1200 电池板6ES-0XA0S7-200/1200与V60 连接电缆6AV-3AX0SIMATIC TP1500 Basic color PN 15 寸 256 色，不带功能键，以太网接口6AV-3AX0SIMATIC KTP1000 Basic color PN 10.4 寸 256 色，8 个功能键，以太网接口6AV-3AX0SIMATIC KTP600 Basic color PN 5.7 寸 256 色，6 个功能键，以太网接口6AV-3AX0&SIMATIC KTP600 Basic mono PN 5.7 寸单色，6 个功能键，以太网接口6AV-3AX0SIMATIC KTP400 Basic mono PN 3.8 寸单色，4 个功能键，以太网接口0备型号&&&&型号电源电压输入电压 DI输出电压 DO输出电流DC/DC/DC24 V DC24 V DC24 V DC0.5 A, 晶体管直流/直流/继电器24 V DC24 V DC5 & 30 V DC /5 & 250 V AC2 A;30 W DC /200 W AC交流/直流/继电器85 & 264 V AC24 V DC5 & 30 V DC /5 & 250 V AC2 A;30 W DC /200 W AC&&Functions丰富的指令集:运算种类众多，便于编程：基本运算，如二进制逻辑运算、结果分配、保存、计数、创建时间、加载、传输、比较、移动、旋转、创建补数、调用子程序（带有局部变量）集成通讯命令（例如，USS 协议、Modbus RTU、S7 通讯&T-Send/T-Receive&（T 发送/T 接收）或自由端口模式 (Freeport)）使用简便的功能，如脉冲宽度调制、脉冲序列功能、运算功能、浮点运算功能、PID 闭环控制、跳转功能、环路功能和代码转换数学函数，例如 SIN、COS、TAN、LN、EXP计数:用户友好的计数功能配以集成的计数器和高速计数器指令给用户开辟了新的应用领域中断处理：边缘触发中断（通过中断输入上过程信号的上升沿或下降沿激活）支持对过程事件的快速响应。时间触发中断。可以在达到设定值或计数方向改变时触发计数器中断。通讯中断允许与外围设备（如打印机或条形码阅读器）快速、简单地交换信息口令保护测试和诊断功能：易于使用的功能支持测试和诊断，例如，在线/离线诊断在测试和诊断过程中&强制&输入和输出：可以独立于循环设置输入和输出，因此，可以永久设置输入和输出，例如，用于测试用户程序按照 PLCopen 对简单运动进行的运动控制库功能Programming通过 STEP 7 Basic 编程软件包，所有 S7-1200 控制器和相关 I/O 可进行全面编程。Technical Specifications&6ES7 212-1BE40-0B06ES7 212-1AE40-0B06ES7 212-1HE40-0B0&CPU 1212C AC/DC/继电器CPU 1212C DC/DC/DCCPU 1212C DC/DC/继电器一般信息&&&工程组态方式&&&编程软件包STEP 7 V13 及以上版本STEP 7 V13 及以上版本STEP 7 V13 及以上版本显示器&&&带显示屏---电源电压&&&24 V DC&&&允许范围，下限 (DC)&20.4 V20.4 V允许范围，上限 (DC)&28.8 V28.8 V120 VAC&&&230 VAC&&&允许范围，下限 (AC)85 V&&允许范围，上限 (AC)264 V&&线路频率&&&允许频率范围，下限47 Hz&&允许频率范围，上限63 Hz&&负载电压 L+&&&&额定值 (DC)&&24 V24 V允许范围，下限 (DC)&20.4 V20.4 V允许范围，上限 (DC)&28.8 V28.8 V输入电流&&&电流消耗（额定值）80 mA，在 120 VAC 下；40 mA，在 240 VAC 下400 mA；典型值400 mA；典型值最大浪涌电流20&A; 264 V 时12&A; 28.8 V DC 时12&A; 28.8 V 时编码器电源&&&24 V 编码器电源&&&24 V允许范围：20.4V to 28.8V允许范围：20.4V to 28.8V允许范围：20.4V to 28.8V输出电流&&&电流输出至背板总线 (DC 5 V)，最大1 000 mA；最大 5 V DC，用于 SM 和 CM1 000 mA；最大 5 V DC，用于 SM 和 CM1 000 mA；最大 5 V DC，用于 SM 和 CM功耗&&&功耗，典型值11 W9 W9 W存储器&&&存储器类型EEPROMEEPROMEEPROM用户数据可用内存大小50 KB50 KB50 KB&
联系人：莫绍华
电话：86-021-
传真：86-021-
（联系我时，请说明是在上看到的，谢谢！）
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