基于S7-1500的工業(yè)自動化仿真軟件設(shè)計

吳 桐，郭書杰

（大連東軟信息學(xué)院 智能與電子工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

0 引言

進入二十一世紀(jì)以來，信息化和智能化給工業(yè)帶來了新的發(fā)展機遇.隨著美國和德國相繼提出 “工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)” 和 “工業(yè)4.0” ，我國也提出并實施了 “中國制造2025”［1］.高程度智能的自動化生產(chǎn)是現(xiàn)代工業(yè)的典型特征.為了適應(yīng)時代發(fā)展的需要，教育部提出并實施了 “新工科建設(shè)” ，旨在為國家培養(yǎng)出具有創(chuàng)新能力的、滿足工業(yè)信息化需求的卓越人才［2］.高效率信息化的工業(yè)離不開對工業(yè)過程的自動化控制.但是，相關(guān)設(shè)備的缺乏導(dǎo)致理論知識無法應(yīng)用于實踐.本文正是基于此現(xiàn)狀，設(shè)計了一個模擬工業(yè)自動化常見應(yīng)用場景的軟件.利用西門子S7-1500可編程邏輯控制器實現(xiàn)對離散行業(yè)和流程行業(yè)典型被控對象的自動控制.市場上已有的此類軟件通常包含的工業(yè)場景單一［3］，且價格昂貴，而本文所設(shè)計的仿真系統(tǒng)模擬真實的使用場景，同時降低了此類軟件的使用門檻，解決了學(xué)習(xí)工業(yè)自動化缺少實驗設(shè)備的問題.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文所設(shè)計的仿真系統(tǒng)包含以多層電梯控制為代表的離散行業(yè)自動化和以化合放熱反應(yīng)為代表的流程行業(yè)自動化.所采用的控制器為西門子S7-1500系列可編程邏輯控制器.S7-1500系列PLC擁有極高的性能和優(yōu)異的可操作性.其位指令的處理時間最低至1納秒，浮點運算的指令處理時間最低至10納秒.更重要的是，即便在沒有實際PLC設(shè)備的條件下，也可以使用S7-1500系列PLC仿真軟件，生成虛擬的PLC以及Profinet工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò).也就是說，使用本文設(shè)計的仿真系統(tǒng)和PLC仿真軟件，即可完成對仿真的被控對象的控制.這一點極大的降低了學(xué)習(xí)工業(yè)自動化技術(shù)的成本.在不方便接觸到實際設(shè)備時，使用仿真的PLC和本系統(tǒng)包含的仿真被控對象的優(yōu)勢更加明顯.本軟件利用TCP/IP協(xié)議與S7-1500PLC進行實時通訊，將軟件模擬出的傳感器信息傳給PLC，并接收來自PLC的控制信號，通過后臺腳本程序?qū)崿F(xiàn)控制信號對被控對象的作用.本系統(tǒng)的離散行業(yè)和流程行業(yè)的仿真均有評分功能.這一設(shè)計使評測學(xué)習(xí)效果帶來了很大的便利.

接下來，將按照行業(yè)場景分別介紹軟件的模塊設(shè)計與功能.

2 離散行業(yè)仿真設(shè)計

本系統(tǒng)選取多層電梯的控制作為離散行業(yè)的具體場景.其功能結(jié)構(gòu)如圖1所示.其軟件設(shè)計主要分為前臺界面和后臺腳本.自由練習(xí)界面對應(yīng)著練習(xí)模式，只與后臺電梯仿真腳本進行交互，沒有乘客模型，需手動選擇電梯外呼和轎廂內(nèi)選按鈕.評分界面對應(yīng)著評分模式，帶有乘客模型，同時與電梯仿真腳本、乘客仿真腳本、評分腳本進行交互.電梯仿真腳本完成根據(jù)控制信號模擬電梯運行、開關(guān)門操作以及向控制器發(fā)出模擬的傳感器信號等功能.乘客仿真腳本模擬乘客對按鈕的操作和上下電梯的動作.評分腳本實時監(jiān)控電梯的運行狀態(tài)，根據(jù)評分規(guī)則和電梯實際運行情況衡量控制效果的優(yōu)劣.

乘客模型的加入可方便電梯控制程序的驗證與評價.利用有限狀態(tài)機（Finite State Machine）將乘客分為五個狀態(tài)：未出現(xiàn)狀態(tài)（狀態(tài)1）、候梯狀態(tài)（狀態(tài)2）、等待過長狀態(tài)（狀態(tài)3）、乘梯狀態(tài)（狀態(tài)4）和到達狀態(tài)（狀態(tài)5）.從狀態(tài)1到狀態(tài)2的轉(zhuǎn)換由定時器觸發(fā)，乘客在狀態(tài)2按下呼梯按鈕.從狀態(tài)2到狀態(tài)4的轉(zhuǎn)換由乘客所在樓層的開門動作以及上下行指示觸發(fā)，乘客在狀態(tài)4進入電梯，按下轎廂內(nèi)選按鈕.若乘客在狀態(tài)2的時間過長，則進入狀態(tài)3，不再候梯.從狀態(tài)4到狀態(tài)5的轉(zhuǎn)換由到達指定樓層后的開門動作觸發(fā)，乘客離開轎廂.

評分規(guī)則的設(shè)計由電梯初始化、響應(yīng)呼梯請求、運行安全以及電氣設(shè)備控制構(gòu)成.在響應(yīng)呼梯請求評分中，腳本根據(jù)評分結(jié)束前處在狀態(tài)5中的乘客人數(shù)判定分?jǐn)?shù)，在規(guī)定時間內(nèi)運送的乘客越多，得分越高.運行安全則主要考慮轎廂開門時機的選擇，以及電梯滿載甚至超重的情況.電氣設(shè)備控制考察上下行繼電器互鎖、開關(guān)門繼電器互鎖和高低速接觸器互鎖等.

3 流程行業(yè)仿真設(shè)計

本系統(tǒng)模擬一個通過放熱反應(yīng)生產(chǎn)化工產(chǎn)品的過程.其中，原料的進料混合、催化劑和冷卻水的流量等實際生產(chǎn)中的關(guān)鍵變量和生產(chǎn)過程在本系統(tǒng)中都可由可編程邏輯控制器進行自動控制.

和在實際生產(chǎn)中測量數(shù)據(jù)來自現(xiàn)場的傳感器不同，在該模擬系統(tǒng)中，流量、液位、溫度等變量的值來自軟件對生產(chǎn)過程的模擬.在功能設(shè)計上，除了模擬流程工業(yè)中的生產(chǎn)過程外，本系統(tǒng)利用組態(tài)軟件，還具有實時曲線的顯示，使溫度、液位等關(guān)鍵變量的變化趨勢能更清楚的展現(xiàn).另外，本系統(tǒng)同樣添加了評分功能.系統(tǒng)會自動的根據(jù)產(chǎn)物的濃度、產(chǎn)量，以及被控變量的控制情況進行打分.

3.1 生產(chǎn)流程模擬

本系統(tǒng)以實際的化工生產(chǎn)流程為基礎(chǔ)，設(shè)計了所需產(chǎn)物的生產(chǎn)流程［4?5］，如圖2所示.首先，兩種原料按一定比例混合，經(jīng)過混合罐輸送到反應(yīng)罐中，在催化劑和預(yù)熱蒸汽的作用下，兩種原料發(fā)生強烈的放熱反應(yīng)，反應(yīng)罐可由冷卻水進行降溫.反應(yīng)生成的產(chǎn)物、以及未反應(yīng)的原料、催化劑、和副反應(yīng)生成物從反應(yīng)罐底部流入閃蒸罐.利用各組分的沸點差異，蒸發(fā)出未反應(yīng)的原料和催化劑，主反應(yīng)生成的產(chǎn)物成為剩余的液體的主要成分.

3.2 流程行業(yè)仿真腳本

在該模擬系統(tǒng)中，各個和生產(chǎn)密切相關(guān)的變量（如流量、壓力等）的實際測量值是在仿真模擬的腳本中產(chǎn)生的.該腳本使得變量的變化按照實際的物理或化學(xué)規(guī)律進行，是整個系統(tǒng)的核心.基于對生產(chǎn)流程的分析，該系統(tǒng)考慮流量、液位和溫度的變化.

物料的流量通過閥門控制.設(shè)閥門的開度為u，某物料流量為fr，則從開度到流量的傳遞函數(shù)可表示為［6］：

其中，T1和k1是可調(diào)參數(shù).由于流量對于閥門的響應(yīng)很快，所以T1是個很小的正數(shù).在該系統(tǒng)中，用一階模型建立了閥門到流量的關(guān)系.w表示均值為0的白噪聲，模擬對流量的隨機干擾.

在生產(chǎn)過程中由三個罐體，分別是混合罐、反應(yīng)罐和閃蒸罐.在這三個罐體中，液位應(yīng)滿足物料質(zhì)量守恒原則，液位變化對應(yīng)的物料質(zhì)量等于輸送到罐體的物料質(zhì)量減去排出罐體的物料質(zhì)量.罐體在k時刻的液位l(k)可表示為：

其中，Δl(k)表示兩個采樣時刻之間對應(yīng)的液位變化.在計算流出罐體的物料流量時，根據(jù)伯努利方程：

其中，P為液體的壓強，ρ為物料的密度，υ表示在罐體出口處的物料流速，l表示液位，h是一個常數(shù).由此可得出，流出的物料流量應(yīng)正比于液位高度的開方.并且有：

其中，A為罐體橫截面表面積，Qin和Qout分別表示流入和流出罐體的物料流量.

對于該生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)設(shè)計來說，反應(yīng)罐溫度的控制相對于液位控制更有難度，因為反應(yīng)釜溫度有非線性混合大滯后的特點［7?9］.這兩個特點也應(yīng)反映在對溫度變化的模擬上.反應(yīng)罐溫度的變化由反應(yīng)生成熱Qp、冷卻水帶走的熱量Qc、從預(yù)熱蒸汽吸收的熱量以及熱量耗散決定.其中，溫度Tf與冷卻水流量fc的傳遞函數(shù)為：

其中，T2、K2和τ是可調(diào)參數(shù).系統(tǒng)將冷卻水到反應(yīng)釜溫度的過程用一階滯后模型模擬.由于該過程是強烈的放熱反應(yīng)，其釋放的熱量與反應(yīng)的強度成正比，而反應(yīng)的強度與物料溫度、液位以及原料配比有關(guān).為了模擬反應(yīng)強度的非線性過程，增加溫度控制的難度，將反應(yīng)的強度建模成關(guān)于物料溫度和反應(yīng)罐液位的高次多項式形式.

3.3 評分規(guī)則設(shè)計

系統(tǒng)自動計算的得分由產(chǎn)物積累量和關(guān)鍵變量的控制效果決定.在實際生產(chǎn)中，對產(chǎn)物的濃度通常有較高的要求，產(chǎn)品的濃度對其市場價格也有影響.基于這種情況，在計算產(chǎn)物積累量時，設(shè)定產(chǎn)物濃度的閾值.產(chǎn)物積累量在單位時間內(nèi)的變化量Δp的計算公式如下：

其中c表示此時刻產(chǎn)物濃度，y表示由閃蒸罐流出的物料流量，cth則表示產(chǎn)物濃度的閾值.即僅當(dāng)產(chǎn)物濃度大于閾值時，其對應(yīng)的產(chǎn)量才計算在產(chǎn)物積累量中.在規(guī)定的時間內(nèi)產(chǎn)物積累量越高，這部分的得分越多.

在實際的生產(chǎn)中，總是希望被控變量能長時間穩(wěn)定在期望的工作參數(shù)上，波動小，不受外界的干擾.被控變量的控制效果也納入到考核的范圍.系統(tǒng)考察混合罐液位、反應(yīng)罐液位、閃蒸罐液位以及反應(yīng)罐內(nèi)溫度的控制效果.如果被控變量在給定值附近波動較小，則會得到這部分的分?jǐn)?shù).另一方面，為了生產(chǎn)安全，變量應(yīng)在安全的范圍內(nèi)變化，不可超標(biāo).例如，液位達到100%，即出現(xiàn)滿罐的情況，在實際生產(chǎn)中是不允許出現(xiàn)的.若在系統(tǒng)運行過程中，由于控制的失誤，使得被控變量超出了安全生產(chǎn)所限定的范圍，則會在已得分?jǐn)?shù)的基礎(chǔ)上扣除較大的分?jǐn)?shù)，作為懲罰.故總得分可表示為：

總分=產(chǎn)物積累得分+控制效果得分?懲罰扣分 （7）

3.4 控制回路設(shè)計

控制器的設(shè)計需在PLC端完成.系統(tǒng)運行時，PLC通過以太網(wǎng)從仿真系統(tǒng)獲取生產(chǎn)參數(shù)的過程值（Process Value），再將計算得到的各個閥門的控制輸出值傳輸給仿真系統(tǒng)，進而完成對各個工藝參數(shù)的控制以及生產(chǎn)過程的監(jiān)控.在PLC端，通常采用PID（Proportional-Integral-Derivative）控制算法.該算法在主流PLC產(chǎn)品中都有集成.它的算式為：

其中，kp、Ti和Td分別為比例系數(shù)、積分時間和微分時間，是PID控制器的三個可調(diào)參數(shù).T為采樣周期，e(k)和e(k ?1)分別為當(dāng)前采樣時刻和上一個采樣時刻控制回路的誤差.

4 系統(tǒng)運行結(jié)果

配置連接的PLC型號和通訊的IP地址，就可以和PLC進行數(shù)據(jù)交換.圖3是離散行業(yè)電梯控制在評分模式的運行界面.畫面左側(cè)顯示了轎廂位置以及各層門鎖的狀態(tài).右側(cè)顯示了電梯呼梯指示燈和各傳感器信號的狀態(tài).在評分模式下加載乘客模型，不需要手動呼梯.

圖4 顯示了電梯運行控制子系統(tǒng)的評分界面.該界面讀取并顯示用戶姓名，根據(jù)電梯在評分過程中的運行狀態(tài)和運輸乘客的數(shù)量給出分?jǐn)?shù).可以看到，除了運輸乘客得分外，該評分標(biāo)準(zhǔn)還考慮了初始化、電氣互鎖、狀態(tài)指示燈顯示、安全保障和低壓電氣設(shè)備（樓層指示、照明設(shè)備）控制情況.

圖5 顯示了是流程行業(yè)自動化工藝界面.在該仿真中，將混合罐液位、反應(yīng)罐液位、閃蒸罐液位以及反應(yīng)罐溫度通過相應(yīng)的閥門用單回路閉環(huán)PID進行控制.PLC讀取各工藝變量在軟件中仿真出的現(xiàn)場測量值，按照工藝要求，對系統(tǒng)進行開車操作，依次將液位和溫度等變量手動控制在預(yù)定工作點附近，再切換成自動控制模式.界面中能實時顯示與生產(chǎn)相關(guān)的各個變量的值.例如，位于圖片右側(cè)的反應(yīng)罐附近，顯示了其液位和溫度.

圖6 展示了實時曲線界面.該界面有實時液位曲線、實時溫度曲線、實時流量曲線以及實時有效產(chǎn)物積累量曲線.有效產(chǎn)物指的是產(chǎn)物濃度大于閾值對應(yīng)的產(chǎn)量.利用在PLC中建立的閉環(huán)PID控制器，本次仿真將混合罐液位和閃蒸罐液位控制在40%左右，將反應(yīng)罐液位控制在65%左右，將反應(yīng)罐溫度控制在98℃附近.

5 結(jié)論與展望

本文介紹了一個包含離散行業(yè)和流程行業(yè)的工業(yè)自動化仿真系統(tǒng).離散行業(yè)選取多層電梯作為被控對象，流程行業(yè)仿真系統(tǒng)包含了進料、化合反應(yīng)和閃蒸提純的工序.電梯的運行、乘客的行為、以及涉及流程工業(yè)中流量、溫度和液位等生產(chǎn)變量按照其內(nèi)在規(guī)律由后臺腳本實時模擬.其中，乘客的行為通過有限狀態(tài)機進行控制，流程行業(yè)中的關(guān)鍵生產(chǎn)參數(shù)由PID控制算法進行自動控制.兩個子系統(tǒng)都設(shè)計了評分規(guī)則，提供了評價自動控制效果的參考依據(jù).

工業(yè)自動化在現(xiàn)代化生產(chǎn)中扮演著重要角色.本軟件通過對應(yīng)用場景的模擬仿真，為學(xué)習(xí)工業(yè)自動化技術(shù)提供了支持.接下來的工作可考慮在系統(tǒng)中增加運動控制的模擬，提供更加豐富的功能.