淺談西門子PLC在電氣控制中的應用分析
——以立體倉庫的數字孿生系統應用為例

韋日禎

（廣西機電技師學院，廣西 柳州 545005）

伴隨著我國工業現代化的發展，工業領域的生產控制模式已經悄然改變，尤其是在信息時代到來以后，機械生產的快速發展使得在控制領域越來越多地依賴于電氣自動化控制。電氣自動化控制系統實現了機械運動與信號處理的有效結合，實現了生產領域更精準的控制。在很多領域，立體倉庫數字孿生系統的建設給各種操作實踐提供了平臺支持，但這一系統中的西門子PLC控制必不可少，特殊的控制技術，給系統可靠運轉提供了技術支持。

1 應用實例

1.1 系統概述

數字孿生仿真系統中，具體包含了仿真模型、訓練PLC、仿真驅動器等三大功能體系，這一系統的特殊構成使得系統幾乎兼具了自動化實訓設備的全部功能，當學校受到場地、資金等條件限制難以人手一套自動化實訓設備時，數字孿生仿真系統，在每個學生的計算機中安裝了一套仿真模型，學生可以直接通過西門子PLC或者自動化控制系統完成接線、編程等實訓作業，與實訓基本上不存在任何的區別，取得了良好的實訓教學成果。

該3D仿真模型軟件的開發方面，以Unity3D開發平臺作為基礎，整個模型軟件的畫面清晰、生動逼真、動作流暢，與真實場景幾乎不存在任何的區別。Unity虛擬仿真系統在Unity3D虛擬現實引擎中搭建，最終所形成的Untity仿真系統在接口設計下有效保障了PLC數據傳輸的便捷性與高效性，完全達到了虛擬載體與實物的孿生動作。該Unity虛擬仿真系統建成投入運營以后，用戶使用電腦中的Unity3D虛擬仿真載體也就對設備實現了自動化的監控、調節。在中、高職院校的虛擬實訓載體、自動化設備PLC通信領域有著廣泛的應用。

1.2 主要功能

該軟件系統兼具以下多種功能：（1）可以實現對上位機的信息化虛擬與仿真，經由演示程序與軟件接口的設計與安裝，保障了上位機與下位機之間的良好通信與交互。（2）仿真模型中的各個模塊都是依據真實比例設計，無論是哪個模塊都具有數字孿生功能，運行機構演示動作與功能都與I/O連接控制完全一致，正是這種虛擬仿真與現實的統一，使學生在實訓過程中可以有效進行相應的控制模擬與反饋。（3）仿真驅動器履行其數據采集功能，在IO輸入端的輔助下，實時獲得立體倉庫虛擬對象的輸出信息，并及時將這些信息傳輸給上位機仿真模型。

1.3 控制過程

該立體倉庫的模型結構比較復雜，其中包含多個構成要素，具體為入口輸送帶、龍門檢測機構、可升降滾輪、輸送鏈條、X軸水平移動機構、Y軸伸縮貨叉、Z軸升降機構以及A、B、C三個立體倉庫。在利用西門子PLC開展控制作業的過程中，重點是要對立體倉庫中的堆垛機進行控制。根據西門子PLC系統的組成部分，西門子CPU 1214C DC/DC/DC是核心構成，其中，西門子V90、步進驅動器、西門子變頻器G120分別負責對Z軸升降機構伺服驅動器、Y軸伸縮貨叉步進電機、X軸水平移動機構電動機的控制。

在立體倉庫堆垛機的運行中，在X軸水平移動機構的運行控制方面，為閉環無極控制模式，為達到精準控制的目的，一系列的控制作業開展是以激光測距儀的反饋距離、西門子變頻器與堆垛電機特性作為依據的，在這些前提下，經由電機加速與減速特性曲線的調整來實現控制。在利用西門子變頻器G120開展調試作業時，包含以下控制方法：

（1）結合實際的控制需求與目標，從特定模塊中直接調用宏功能，效率更高，也便于西門子變頻器G120的功能實現。SINAMICS G120的最初設計階段，正是為了滿足各種接口的使用需求，定義了多種預定義接口宏，不同的宏下對應的接線方式也有所不同，宏與接線方式存在著一一對應的關系。在調試作業中，兩個固定轉速的控制方面，選用宏程序-雙方向兩線制的方式，在啟停控制中，變頻器直接利用兩線制控制，數字量輸入是電機啟停、旋轉控制的關鍵；在速度調節方面，數字量輸入選擇機制下，可以率先設定兩個固定轉速，不同的數字量輸入固定轉速有所不同。

（2）標準報文1對電機的啟停與速度進行控制，在PROFINT PZD通訊方式下，將控制字1（STW1）和主設定值（NSOLL_A）周期性發送給變頻器，在此條件下，變頻器將狀態字1（ZSW1）和實際轉速（NIST_A）發送給西門子PLC中，如果發送的是控制字047E（16進制），則表示停車，反之，發送控制字047F（16進制）則代表的是正常啟動。但這種控制方式下，速度設定值要經由標準化處理。

伺服電機是控制立體倉庫堆垛機Z軸升降機構的主體，再進一步細分，西門子伺服驅動器V90是控制系統中的核心。在整體設計中，PLC與V90之間的通訊任務達成可以經由多種方式來實現。在V90伺服驅動控制系統中，因為存在PROFINET接口，也就給用戶與PLC之間的通信與交互提供了支持，相比而言，這種控制設計和通訊方式下的實現較為簡單，完全滿足了系統運行和控制中的實時通信要求，無論采用的是外部脈沖位置控制、內部位置控制還是速度、轉矩控制等方式，都可以達到較理想的控制效果。

步進電機是控制堆垛機Y軸伸縮貨叉的關鍵要素，其控制任務是經由步進驅動器來完成的，步進驅動器在執行控制任務的實施中，實現了電脈沖向角位移的轉換。隨著系統的運行，當步進驅動器接收到脈沖信號的時候，系統中的控制模塊就會以給定的脈沖和方向作為基礎，旋轉固定的角度。在脈沖個數對角位移量進行控制的同時，也就提升了定位精度，當然，經由對脈沖頻率的有效控制，也就是實現了對電機轉動速度與加速度的精準控制。

堆垛機的控制主要包含以下流程：（1）在堆垛機接收到相應的信號后，會立即以激光測距儀測量反饋的當下位置信息作為判斷依據，在判斷的基礎上對變頻器的輸出功率進行適當優化。在X軸移動的同時，一旦其移動到與目標值相近的位置，立即進入減速狀態并停止運轉，在此運行與控制過程中，依舊位移反饋值將電機的移動速度保持在合理范圍內，始終保持堆垛機處于穩定的運轉狀態。（2）依據目標倉位，在系統運行的同時及時輸入X軸運行位置、Y軸伸縮貨叉位置、Z軸升降機構運行位置信息，當這些信息輸入后，不斷與目標位置值進行對比、分析，根據最終的分析結果來輔助控制決策，保障定位精度，提高控制水平。

2 數字孿生系統在教學中的發展前景和優勢

數字孿生系統是信息時代下的一種新興技術，在實訓教學中，該系統的應用完全可以通過數字孿生建模、數據采集、傳輸與處理、數據驅動與模型融合，來發揮這一技術的優勢。在當前的研究領域，數字孿生系統的使用和研究日漸增多，這一技術有效實現了物理系統向信息空間數字化的映射，在系統中分布有各種類型的傳感器，這些傳感器在系統運行的同時，實現了物理實體的數據分析與建模，經由一系列的仿真過程，處于物理系統中的各種要素和過程均可以在模型中直觀呈現出來，在傳感器的信息采集、系統通訊輔助下，數字孿生系統也就實現了多維物理實體數據的集成化，再加上數據分析與仿真模擬的存在，對物理實體的控制將更便捷與高效。

數字孿生系統下的遠程控制和監測得以完成，因此，企業在利用數字孿生系統開展相應工作的過程中，也就可以及時發現問題、處理問題，正是因為數字孿生系統的技術優勢，整個系統運行中的能耗大大降低，控制效率和水平有所提升，符合現代化的發展趨勢。此外，一些企業使用了數字孿生系統后，有效實現了對設計產品質量的檢驗，因為數字孿生技術可以實現對生產線與生產設備運行狀態的全周期模擬，虛擬設計與虛擬運行下，設計產品的質量更有所保障，這種虛擬過程，有效地實現了對預期行為與設計行為偏差的控制，對提高設計水平、控制設計成本具有重要的意義。

與常規教學模式相比，虛擬仿真教學系統突破了教學硬件條件的限制，完全可以滿足自動化實訓設備的全部功能，學生經由PLC與自動控制系統開展接線與編程訓練，不僅可以開發相應的教學資源，取得良好的教學效果，還在一定程度上節約了教學成本。

3 結語

現階段，在經濟社會發展中，西門子PLC得到了越來越廣泛的應用，在這些領域有效發揮了西門子PLC的技術優勢，推進了電子控制自動化、智能化目標的快速實現，對行業轉型發展的意義重大。但西門子PLC應用尚存在一些發展難題，在未來要注重技術創新，提升發展成果。