SIMIT軟件在PLC過程控制教學中的應用

2018-06-14 02:12:20孫明革叢鑠灃

吉林化工學院學報 2018年5期

孫明革，叢鑠灃

(吉林化工學院信息與控制工程學院，吉林吉林 132022)

近年來，隨著國內工業自動化水平的不斷提高，使得計算機控制在過程工業領域得到了廣泛的應用[1].隨著計算機控制技術與先進控制技術(APG)的日趨完善，可編程控制器(PLC)已經成為高校自動化類與電氣類專業的一門重要課程.

PLC課程的主要教學目的，是鍛煉學生編寫控制程序，通過PLC控制被控對象.然而，被控對象的缺失，一直是PLC課程教學中亟待解決的重要問題[2].目前在PLC實驗教學中，通過開關與LED燈的組合即可實現對數字量控制的模擬；而對于模擬量控制，往往需要編寫專門的仿真子程序并借助OPC軟件實現工業過程的模擬，或通過實驗設備完成一些指定的工業過程實驗，這些方法都難以對被控對象的控制過程實現真實模擬.

SIMIT仿真軟件由西門子公司研發，是專門用于S7-300/400系列PLC的仿真調試及仿真教學軟件，可以對組態點進行實時仿真，完成設備和工業過程的虛擬調試；此外還可以通過PLCSIM仿真器實現對邏輯對象、運動對象及過程對象的純軟件仿真.SIMIT軟件產生的仿真過程信號，可以直接傳輸給PLC的過程映像區，實現被控對象與控制器的徹底分離，因此無需在PLC中編寫仿真程序[3].SIMIT組件庫中集成有電機、閥門以及數學運算器等多種對象模型和數學工具，用戶也可以通過軟件的宏功能，自定義對象模型，對復雜控制過程進行仿真模擬.SIMIT軟件擁有PLCSIM、PRODAVE、OPC等多種數據接口，支持MPI、TCP/IP等多種通訊方式，具有開發對象靈活、設備成本低、便于維護的特點，可以有效解決PLC過程控制教學中缺少被控對象的問題[4].

1 系統結構

SIMIT軟件搭建的仿真系統，由控制器、數據接口及被控對象三部分組成，系統結構如圖1所示.

圖1 仿真系統結構圖

仿真系統的控制器采用西門子PLC，通過STEP 7或PCS 7編程軟件編寫控制程序.

SIMIT軟件支持PLCSIM、PRODAVE、OPC等數據接口.PLCSIM是專門用于S7-300/400系列PLC仿真調試的軟PLC，使用PLCSIM作為仿真系統的控制器，可將物理PLC與控制過程分離，全部的仿真過程通過計算機即可實現，從而避免因操作不當造成的物理設備損壞，適用于高校PLC課程實驗教學.

仿真系統的被控對象由前臺的仿真畫面及后臺的仿真邏輯組成，根據仿真對象的工藝及物理特點，通過SIMIT軟件搭建.

2 仿真對象

本文介紹的SIMIT仿真系統，以某涂料生產工藝為模版搭建.該工藝包含溫度、液位、流量等控制單元，采用過程控制中應用最為廣泛的PID控制作為其原料配方及反應溫度的控制算法[5,6]，使用了調節閥、開關閥、攪拌器、料泵等多種工業設備，具有工藝結構簡單、控制對象典型多樣的特點.涂料生產線包括投料、反應、保持、填充及清洗五個生產過程，仿真系統控制流程如圖2所示.

圖2 仿真系統控制流程

(1) 投料

兩種不同的液體原料，分別存儲在兩個原料罐內.涂料生產線有兩個反應釜，可通過閥門選擇將兩種液體原料同時泵送進1號反應釜或2號反應釜中.控制器通過對兩種物料進料閥門開度的調節，控制兩種物料的進料量，實現對原料的配方控制.

(2) 反應

首先，攪拌器對投入反應釜的兩種液體原料進行均勻混合，然后由熱源管道向加熱器內通入蒸汽，對反應釜加熱，使釜內溫度達到反應條件，誘導原料發生反應.控制器通過對熱源管道閥門的控制，實現對反應溫度的恒溫調節.

(3) 保持

待反應釜內的生成物料冷卻后，生成產物通過泵送的方式進入儲罐，并在儲罐中緩慢攪拌.控制器對儲罐溫度進行恒溫控制，保持生成物的物性不發生改變.

(4) 填充

儲罐中的產物被輸送并暫存在填充罐中，等待裝車.

(5) 清洗

清潔系統清洗涂料生產線的管道、閥門、反應器、儲罐和填充罐等生產裝置，等待系統的下次投運.

3 建立模型

由SIMIT軟件建立的仿真模型，主要由前臺仿真畫面和后臺仿真邏輯兩部分組成.

仿真模型的前臺畫面，是根據對象工藝開發的仿真操作及顯示畫面.在前臺畫面中，可以通過SIMIT繪畫工具直接繪制線條、矩形、圓等圖形元素，也可以直接插入圖片或調用WinCC組態軟件庫中的設備組件.

后臺仿真邏輯則描述了仿真對象中各控制單元或被控對象的工作特性.對于仿真對象的后臺邏輯，既可以在一張圖表中直接表述整個對象的過程，也可以在多個圖表中分別搭建每個控制單元的仿真邏輯，通過各單元的組合，進而實現對仿真對象完整工作過程的仿真.

在涂料生產工藝的仿真對象中，主要對生產工藝的配方給料和反應過程進行仿真，并分別建立了開關閥、攪拌器、料泵、原料罐液位、進料流量、反應釜液位、反應溫度等被控對象的仿真邏輯.

仿真系統的前臺畫面如圖3所示.

圖3 涂料生產工藝的仿真畫面

(1) 開關閥

開關閥的仿真邏輯通過驅動單元“DriveV1”實現閥門開關狀態的切換，組件的輸入引腳“Open”與開關量輸出狀態“Y”相對應.若開關量輸入為0，則在閉合時間Tclose范圍內，Y值被持續跟蹤到0；若開關量輸入為1，則在開啟時間Topen范圍內，Y值被持續跟蹤到100.即開關量輸出狀態“Y”只有0和100兩種狀態，從而實現對閥門開閉狀態的模擬.開關閥仿真模型如圖4所示.

圖4 開關閥仿真模型

(2) 料泵和攪拌器

料泵以驅動單元“DriveP1”作為核心組件，通過輸入端“Run”的狀態，控制料泵的啟動與關閉.當輸入端“Run”的值為1時，控制器中的料泵控制程序將被觸發；當“Run”為0時，料泵停止工作.

攪拌器電機的核心組件為驅動單元“DeiveP1”和斜坡信號發生器“Ramp”，通過模擬斜坡值y在仿真過程中增量的變化，實現攪拌電機勻速攪拌過程的模擬.斜坡值y的增量Δy為：

(1)

式中，Δt為模擬的增量寬度，UL為上限，LL為下限.

當“Ramp”組件的“+”引腳為1時，斜坡值增加Δy；當“-”引腳為1時，斜坡值減少Δy；若“+”和“-”引腳同時為1，則斜坡值不變.

攪拌器電機仿真模型如圖5所示.

圖5 攪拌電機仿真模型

(3) 原料罐及反應釜液位

在液位仿真過程中，若仿真對象的前級閥門狀態滿足條件，則積分器開始工作，當前液位開始累積，從而模擬罐內液位的變化過程；當罐內液位達到低限時，積分器停止工作，液位不再繼續累積，對象的仿真過程結束.液位仿真模型如圖6所示.

圖6 液位仿真模型

液位的仿真模型主要由“MinMax”和“Int”組件構成.

“MinMax”為最大值或最小值組件，可將n個輸入x1到xn中的最大值或最小值映射到輸出y.該組件中的“Min”映射集，可以根據前級閥門的當前狀態，控制積分器是否工作，即：前級閥門均為開啟狀態時，“Min”組件的各輸入引腳為1，液位開始累積；當有任一閥門關閉時，該閥門對應的“Min”組件引腳為0，則此時組件的輸出為0，液位累積停止，仿真過程結束.

積分器組件“Int”的積分值y介于UL(上限)與LL(下限)之間,ULR和LLR引腳在分別積分值達到上限和下限時，輸出值為1的開關量.積分器的輸入值x與輸出值y滿足如下關系：

(2)

(4) 反應溫度

反應溫度模型如圖7所示.

圖7 反應溫度仿真模型

反應溫度仿真模型采用n階延遲組件“PTn”模擬反應釜中的溫度變化情況.對于一階延遲，該組件的輸出函數值y與輸入值x滿足如下關系：

(3)

當輸入值x產生由0到1的階躍變化時，函數值y的階躍響應為：

y=1-e-t/T

在仿真模型的建立過程中，通過多個一階延遲組件的串聯，即可獲得高階延遲的函數值.

(5) 進料流量

進料過程中，控制器通過對進料流量的調節，實現對兩種原料生產配方的控制.控制程序可根據當前兩種物料的進料量，通過PID控制器調節進料閥門開度，使兩種物料的投料比例達到工藝要求.因此，在SIMIT中只需要使用驅動單元“DriveP1”模擬進料閥門的開度變化即可.進料流量仿真模型如圖8所示.

圖8 進料流量仿真模型

4 仿真實驗

本文提出的仿真系統，使用PCS 7作為控制程序的開發軟件，控制程序采用控制功能圖(CFC)和順序功能圖(SFC)編寫.與梯形圖編程方式相比，CFC具有編程過程直觀、方便的特點，只需將所調用功能塊的引腳互相連接，即可完成控制程序的編寫；而在過程工業控制中使用SFC，可將各控制環節進行有機結合，使各控制單元按照指定的工藝流程進行.

(1) 控制程序的編譯和下載

在仿真開始前，需要對編寫完成的CFC與SFC控制程序進行編譯，以檢查控制程序是否存在錯誤；編譯通過后，點擊下載按鈕，將控制程序下載到PLCSIM軟件中.

(2) 運行PLC

在PLCSIM軟件的CPU面板中，點選運行(RUN)或調試運行(RUN-P)選項，即可運行PLC仿真器；打開SFC界面，點擊測試按鈕，執行順序控制程序.

(3) 運行仿真程序

基于SIMIT的仿真系統，其仿真過程如圖9所示.

打開SIMIT軟件，點擊軟件上部工具欄中的運行圖標，運行仿真模型.仿真過程開始后，點擊仿真畫面中的“填充”按鈕，原料罐開始填充原料；原料罐填充完成后，選擇投料的反應罐，并開啟投料泵，兩種原料按配方比例向反應罐中進料；投料完成后，開啟攪拌電機勻速攪拌物料；兩種原料均勻混合后，反應釜加熱器開始加熱，使反應釜內溫度達到反應溫度，兩種原料開始發生反應；反應過程結束后，開啟反應釜出料泵，生成產物通過排料泵排出反應罐，仿真過程結束.

5 結論

本文以涂料生產工藝的仿真系統為例，介紹了基于SIMIT軟件的仿真系統結構、仿真對象的建立過程及實驗過程.仿真實驗表明，基于SIMIT軟件搭建的仿真系統，無需實際的實驗設備，通過搭建被控對象的仿真邏輯，即可真實模擬仿真對象的控制過程，具有結構簡單、操作方便、真實度高的特點.在PLC的過程控制教學中采用基于SIMIT軟件的仿真系統，可以有效解決傳統教學中缺少被控對象、難以真實模擬控制過程的問題.

[1] 尹鵬，武建新.Simit環境下PLC控制運料小車系統仿真[J].機電工程術,2017,46(8):46-47+183.

[2] 吉順平，路明，黃捷.SIMIT及其在PLC教學中的應用[J].電氣電子教學學報,2006(5):53-56.

[3] 余朝剛，劉啟中，齊東平，等.基于SIMIT SEC的水位PID控制實驗[J].實驗室研究與探索,2008(8):216-218.

[4] 廖常初.SIMIT在PLC控制系統被控對象仿真中的應用[J].電氣時代,2008(2):96-97.

[5] 劉麒,畢勝楠,倪晉超,等.基于運動控制系統的飛剪裝置與算法設計[J].吉林化工學院學報,2017,34(7):46-51.