膠印機PLC與HMI信號接口的框架研究

陳賢國， 陳格云， 顧佳琪， 李明華

（上海光華印刷機械有限公司，上海200436）

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一種集控制、操作和監控功能于一體的綜合工業控制器。它以其自身所具有的模塊化結構、智能化功能和運行可靠等特點在工廠自動化（Factory Automation，FA）的整個控制過程中引領先進的控制技術。PLC的優點在于“可”字：從軟件上講，它的程序可編，也不難編；從硬件上講，它的配置可變且也易變［1］。

集智能化、信息化、人性化友好操作于一體的人機界面（Human Machine Interface，HMI）是系統和用戶之間進行交互和信息交換的媒介。作為操作和監控的上位機，可以完成PLC與操作者之間友好的交互，負責用戶的操作輸入、設備的參數設定與修改以及在線實時監控等［2］，是一種使用戶使用方便、提高效率、維護方便以及服務增值等自動控制最佳解決方案之一。

基于PLC和HMI組合的控制系統已經越來越多地應用于多色印刷機等工業領域。印刷機作為一種精度較高的機械設備，其智能化的控制、傻瓜式的操作是未來發展的總趨勢。對于自動化控制系統而言，硬件是基礎，軟件是靈魂。在了解了被控對象的控制要求之后才能進行整個控制系統的軟件設計與編程［3］。

PLC和HMI兩個用戶程序需要各自獨立編制，在編寫各自的控制程序過程中，PLC與HMI之間需要建立彼此信息的交互應答，這種用于信息交互的媒體稱為信號接口［4］。以往PLC和HMI的信號接口地址一般沒有明確的約定，在編寫控制程序的過程中，每個信號接口往往需要臨時約定而沒有規律可循，使得編程的效率大大降低，不利于用戶對程序的解讀與理解，更不利于用戶對產品的使用與維護。

為此，將印刷機控制／采集信號大致分為輸紙、色組和收紙3大部分。本文分析研究了PLC與HMI之間準確而又有效的信息交互所需接口信號內容，對其在PLC存放的存儲器地址進行了有規律可循、合理而有效地分配并明確定義，為PLC和HMI用戶控制程序的模塊化編制、提高編程效率創造了有利條件。產品控制程序編制不僅僅使編程者理解就夠了，更主要的目的是能方便用戶解讀與理解，只有這樣才有利于用戶對產品的使用與維護。

在編寫程序過程中，使用已明確規定的信號接口地址時還須注意理解這些已被定義的地址具有方向性。正確理解接口信號的方向性對編制控制程序十分重要。

以富士PLC高性能CPU（NP1PS－32）和具有可編程操作顯示器（Programmable Operation Display，POD）的HMI在單張紙印刷機上的應用為例，對其信號接口框架進行了研究，并規定信號接口地址變量名的命名規則。

1 信號接口地址分配

富士PLC高性能CPU存儲器區域容量分配如表1所示。

用于系統內部使用的輔助繼電器在直接尋址的模式下以“%M□1…”的形式表示在存儲器中的地址。用X，W或D替換□，其中X的數據類型為位，W的數據類型為字，D的數據類型為雙字。

表1 富士PLC高性能CPU存儲器容量分配表

對于高性能CPU標準存儲區的大小可以調整，但用戶存儲區總的字數是不變的。由表1可知，標準存儲區的首地址開始2K個字是CPU數據訪問的高速處理區，其大小固定不變。考慮到NP1P－74和NP1P－117兩款高性能CPU存儲器容量都包含了NP1PS－32，根據NP1PS－32高性能CPU每個存儲區定義的默認容量以及通常對印刷機所要求處理的信號，對PLC與HMI信息交互的接口信號進行了分類，并對信號接口地址進行了有規律可循的分配。這樣，高性能CPU（NP1PS－32）的接口信號地址同時可以滿足另兩款不同的高性能CPU，接口信號地址的大致分配范圍如表2所示。在表2中：

表2 接口信號地址分配

（1）高速處理區分別處理色彩控制器HMI軟控鍵、本機HMI軟控鍵以及HMI可讀取PLC所使用的輔助繼電器狀態信號。其中，色彩控制器是屬于膠印機印前關鍵設備之一，一般其可以直接參與對膠印機的電機調整與監控。表中“＊”可以取0～9。保持存儲器在失電后存儲的數據由系統內部電池保持而不被丟失，再通電后仍保持原來的數據；而非保持存儲器在失電后存儲的數據會丟失，再通電后數據清為零。

（2）在保持存儲器的地址%MW3.1＊00～%MW3.1＊99中“＊”表示膠印機的色組號1～8。每個色組分別被分配存儲區100個字，即%MW3.1100～%MW3.1199對應第1色組的數據存儲區。對每個色組而言，盡管通過HMI寫入數據的存儲器地址是不同的，但在編寫或解讀程序時確能比較有規律可循。保持存儲器%MW3.1000～%MW3.1099和%MW3.2＊00～%MW3.2＊99暫未定義，考慮用于雙面膠印機另一面所要讀取或寫入數據的存儲地址。

（3）保持存儲器的地址%MW3.4000～%MW 3.4095主要用于HMI設備對機器特定的數據設定與修改。只有印刷機制造商才有權限通過HMI進行數據設定，如重要數據的修改（浮點數）、模塊化程序的調用（位）以及對程序的加密（整數）等。

2 接口信號定義

基于PLC和HMI的印刷機控制系統的交互信號主要分為飛達、收紙、色組和HMI設備4部分。接口信號的交互形式分類可分為2種，即HMI讀取PLC信號狀態、存儲區數據的接口信號，HMI軟控鍵按鈕信號和寫入PLC存儲區數據的接口信號。

根據所控制對象需要HMI軟控鍵信號狀態一般分為瞬時和保持2種。瞬時的軟控鍵接口信號定義在高速存儲區，保證該瞬時信號的響應時間。保持的軟控鍵接口信號利用保持存儲器的特點直接定義在保持存儲區。

部分HMI軟控鍵信號接口、HMI讀取數據的信號接口以及HMI寫入數據的信號接口的內容定義分別如表3～5所示。

表3 HMI軟控鍵信號接口（HMI→PLC）

表4 HMI讀取數據信號接口（PLC→HMI）

表4～5中△表義定義內容略，內容定義中沒有對%MW3.0000～%MW3.0099中的位“0”作定義，隨后的位就可以同時表示相應色組的位信號接口，有規律可循便于對PLC／HMI控制程序的編制和解讀。

3 信號接口地址命名

絕對地址是用來區分信號，表明事先給信號分配1個在系統存儲區域中特定的存儲位置，以便CPU能訪問在存儲區域中的信號［1］。

表5 HMI寫入數據信號接口（HMI→PLC）

給絕對地址賦予一個有含義的變量名（富士PLC）稱為變量地址。變量可以分為全局變量（共享）和局域變量兩種。全局變量表示在整個用戶程序中是有效的，而且是惟一的；局域變量僅僅表示在程序結構單元（Program Organic Unit，POU）這個程序中有效，且惟一。而在不同的POU程序中可以有相同的局域變量名；因此，在整個用戶程序中不是惟一的。

注釋就是給予地址或變量更進一步的詳細描述，在程序中不是惟一的。

根據富士PLC程序中地址顯示的特點，給PLC／HMI用戶程序中信號地址賦予的變量名命名進行了約定。

（1）數字／模擬輸入輸出變量名命名規定

① 數字量輸入變量名命名

② 數字量輸出變量名命名

③ 模擬量輸入變量名命名

④ 模擬量輸出變量名命名

（2）存儲器地址變量名命名規定

①HMI→PLC位接口信號地址變量名

②HMI←PLC位接口信號地址變量名

③HMI→PLC寫入數據存儲器地址變量名

④HMI←PLC讀取存儲器地址變量名命名

4 結 語

本文對基于PLC和HMI的膠印機控制系統信號接口的框架進行了研究，初步完成了膠印機PLC和HMI交互的接口信號分類以及對信號接口地址進行了有規律可循的分配，為以后的實際編程應用打下了基礎。今后，還有待在實際應用過程中不斷趨于合理與完善。對膠印機控制系統信號接口的框架研究將有助于擴展應用到其他不同的可編程控制系統，盡管其CPU的存儲器容量、范圍會有所不同。同時，將對其研究的想法、思路與同行共享，有助于推動未來自動化印刷柔性控制技術的進一步發展。

［1］陳賢國.數控機床PLC編程［M］.北京：國防工業出版社，2010：3.

［2］薛迎成.PLC與觸摸屏控制技術［M］.北京：中國電力出版社，2008：41.

［3］關玉明，王 歡，肖艷春，等.PLC在印刷機間隙調整控制系統中應用［J］.微計算機信息（測控自動化），2008，24（10－1）：6－7.

［4］王 剛.數控機床調試、使用與維護［M］.北京：化學工業出版社，2006：22.