基于PLC的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的建立

張浩，任正云，馮雪，王成，汪文斌

(1. 東華大學(xué)，上海 201620；2. 四川煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司，四川 成都 610041)

自21世紀(jì)以來，信息技術(shù)進(jìn)入了迅速發(fā)展的時(shí)期，給人們的日常生活帶來了許多方便之處，同時(shí)信息技術(shù)也提高了人們的工作效率，并且不斷促使社會(huì)各方面向自動(dòng)化、智能化發(fā)展。在這樣的背景下，可編程邏輯控制器(PLC)應(yīng)運(yùn)而生。但是PLC在仿真測(cè)試時(shí)需要硬件設(shè)備的支持，否則難以進(jìn)行，但1套PLC的硬件設(shè)備可能價(jià)值不菲，這就給許多非專業(yè)人員帶來了很大的困擾，而本文所建立的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)擺脫了硬件設(shè)備帶來的局限，完全由軟件構(gòu)成，不需要硬件設(shè)備的支持。

1 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的建立

實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的建立方案是將算法封裝在PLC中，而數(shù)學(xué)模型建立在Simulink組件中，通過實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，二者之間得以交換數(shù)據(jù)，形成一個(gè)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真測(cè)試，該仿真系統(tǒng)建立過程如圖1所示。

圖1 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)建立思路示意

首先將算法封裝在PLC博圖v14中，通過S7 PLCSim仿真器仿真運(yùn)行，利用Nettoplcsim軟件將仿真器運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議送至客戶端[1]，客戶端KEPServer通過102端口讀取數(shù)據(jù)，再通過OPC協(xié)議[2]與Matlab相連接，準(zhǔn)確地說是與Simulink組件相連接，被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型建立在Simulink組件中，這樣Simulink組件就得到了PLC仿真運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)交換都是雙向的，改變?nèi)我廛浖袛?shù)據(jù)都可以改變系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，這樣就建立了實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。

2 軟件介紹與配置

Nettoplcsim[3]是一款用于連接PLC的軟件，主要支持S7-300/400，S7-1200，S7-1500系列PLC，該軟件能夠利用仿真器將PLC連接到KEPServer，OPC-Server，WinCC，Intouch[4]等軟件上。Nettoplcsim軟件打開時(shí)需要以管理員身份運(yùn)行，因?yàn)镹ettoplcsim軟件的主要作用是將仿真器中的數(shù)據(jù)讀取至102端口，而102端口一般是被電腦占用的，所以需要以管理員身份運(yùn)行，以獲取102端口的暫時(shí)性的使用權(quán)。獲取102端口之后，添加正在運(yùn)行的仿真器。

KEPServer[5]是一個(gè)基于Windows 32位的應(yīng)用程序，它提供了一種將各種工業(yè)設(shè)備和系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)引入PC客戶端應(yīng)用程序的方法，通過該程序可監(jiān)視、管理各種自動(dòng)化設(shè)備和控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)[6]。

相關(guān)配置完成后，在PLC和Nettoplcsim軟件運(yùn)行的情況下，點(diǎn)擊軟件首頁上的“Quick Client”，即可將PLC中的數(shù)據(jù)讀取到KEPServer軟件中。

Matlab[7]是美國(guó)Mathworks公司開發(fā)的一款數(shù)學(xué)軟件，主要分為兩大部分： Matlab和Simulink。Matlab集數(shù)值分析和數(shù)據(jù)可視化于一身，高級(jí)計(jì)算語言和科學(xué)計(jì)算于一體，將諸多功能集成于可視化窗口內(nèi)，主要用于科學(xué)計(jì)算、工業(yè)控制、圖像處理、數(shù)學(xué)建模等領(lǐng)域。Simulink是Matlab的一種擴(kuò)展，提供了一種系統(tǒng)仿真的可視化方案，是Matlab中框圖設(shè)計(jì)的延伸。

打開Simulink，新建一個(gè)模型，打開Simulink Library Browser，從OPC Toolbox[8]工具箱中添加OPC配置模塊，OPC讀入模塊和OPC寫出模塊，首先配置OPC配置模塊然后通過OPC讀入模塊的“Add Items”添加變量， 配置OPC寫出模塊即可。通過OPC即可實(shí)現(xiàn)Simulink與KEPServer的通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與PLC的數(shù)據(jù)交換。

3 人機(jī)界面

本文所選用的人機(jī)界面[9]是HMI TP900 Comfort，根畫面是主要的制圖空間。根畫面下方是屬性窗口，在屬性窗口內(nèi)可以設(shè)置畫面上的文本域、I/O域、趨勢(shì)圖等；根畫面右側(cè)包括工具箱、動(dòng)畫、布局、指令等，工具箱內(nèi)包括基本對(duì)象、元素、控件和圖形，基本對(duì)象內(nèi)含有基本的圖形、文本域、圖形視圖等，元素內(nèi)包含I/O域、按鈕、圖形I/O域、時(shí)鐘等，控件內(nèi)含有警報(bào)視圖、趨勢(shì)視圖、監(jiān)控表等。利用工具箱向畫面內(nèi)添加各種圖形、域或視圖等，在屬性窗口內(nèi)配置圖形、域或視圖，連接變量，添加限制條件，完善人機(jī)界面。

4 仿真測(cè)試

圖2 Simulink模型示意

在運(yùn)行過程中從Simulink中向系統(tǒng)加入階躍干擾，得到設(shè)定值、輸出值二者的關(guān)系曲線，加入干擾的運(yùn)行測(cè)試曲線如圖3所示，其中輸出值能夠快速達(dá)到設(shè)定值且沒有超調(diào)和振蕩，在加入干擾后，輸出值會(huì)有些許的超調(diào)。表明干擾對(duì)輸出值有一定的影響；在Simulink中改變參數(shù)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)有一定的影響；Simulink和PLC之間存在數(shù)據(jù)交流。

圖3 加入干擾的控制系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試示意

在系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，將系統(tǒng)的含水率設(shè)定值由15%改到25%，得到的運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。

圖4 改變?cè)O(shè)定值的控制系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試示意

由圖4中波形可以看出，在設(shè)定值改變后，輸出值能夠及時(shí)反映，及時(shí)跟隨新的設(shè)定值，且在跟隨過程中不會(huì)產(chǎn)生超調(diào)和震蕩，表明Simulink與PLC之間存在數(shù)據(jù)交流。

5 結(jié)束語

綜上所述，通過Nettoplcsim，KEPServer等軟件能夠擺脫P(yáng)LC硬件對(duì)于仿真帶來的限制，實(shí)現(xiàn)Simulink與PLC之間的數(shù)據(jù)交流。通過在線實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的仿真測(cè)試表明，該系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。