SIMIT软件在PLC过程控制教学中的应用

2018-06-14 02:12孙明革丛铄沣

吉林化工学院学报 2018年5期

孙明革，丛铄沣

(吉林化工学院信息与控制工程学院，吉林吉林 132022)

近年来，随着国内工业自动化水平的不断提高，使得计算机控制在过程工业领域得到了广泛的应用[1].随着计算机控制技术与先进控制技术(APG)的日趋完善，可编程控制器(PLC)已经成为高校自动化类与电气类专业的一门重要课程.

PLC课程的主要教学目的，是锻炼学生编写控制程序，通过PLC控制被控对象.然而，被控对象的缺失，一直是PLC课程教学中亟待解决的重要问题[2].目前在PLC实验教学中，通过开关与LED灯的组合即可实现对数字量控制的模拟；而对于模拟量控制，往往需要编写专门的仿真子程序并借助OPC软件实现工业过程的模拟，或通过实验设备完成一些指定的工业过程实验，这些方法都难以对被控对象的控制过程实现真实模拟.

SIMIT仿真软件由西门子公司研发，是专门用于S7-300/400系列PLC的仿真调试及仿真教学软件，可以对组态点进行实时仿真，完成设备和工业过程的虚拟调试；此外还可以通过PLCSIM仿真器实现对逻辑对象、运动对象及过程对象的纯软件仿真.SIMIT软件产生的仿真过程信号，可以直接传输给PLC的过程映像区，实现被控对象与控制器的彻底分离，因此无需在PLC中编写仿真程序[3].SIMIT组件库中集成有电机、阀门以及数学运算器等多种对象模型和数学工具，用户也可以通过软件的宏功能，自定义对象模型，对复杂控制过程进行仿真模拟.SIMIT软件拥有PLCSIM、PRODAVE、OPC等多种数据接口，支持MPI、TCP/IP等多种通讯方式，具有开发对象灵活、设备成本低、便于维护的特点，可以有效解决PLC过程控制教学中缺少被控对象的问题[4].

1 系统结构

SIMIT软件搭建的仿真系统，由控制器、数据接口及被控对象三部分组成，系统结构如图1所示.

图1 仿真系统结构图

仿真系统的控制器采用西门子PLC，通过STEP 7或PCS 7编程软件编写控制程序.

SIMIT软件支持PLCSIM、PRODAVE、OPC等数据接口.PLCSIM是专门用于S7-300/400系列PLC仿真调试的软PLC，使用PLCSIM作为仿真系统的控制器，可将物理PLC与控制过程分离，全部的仿真过程通过计算机即可实现，从而避免因操作不当造成的物理设备损坏，适用于高校PLC课程实验教学.

仿真系统的被控对象由前台的仿真画面及后台的仿真逻辑组成，根据仿真对象的工艺及物理特点，通过SIMIT软件搭建.

2 仿真对象

本文介绍的SIMIT仿真系统，以某涂料生产工艺为模版搭建.该工艺包含温度、液位、流量等控制单元，采用过程控制中应用最为广泛的PID控制作为其原料配方及反应温度的控制算法[5,6]，使用了调节阀、开关阀、搅拌器、料泵等多种工业设备，具有工艺结构简单、控制对象典型多样的特点.涂料生产线包括投料、反应、保持、填充及清洗五个生产过程，仿真系统控制流程如图2所示.

图2 仿真系统控制流程

(1) 投料

两种不同的液体原料，分别存储在两个原料罐内.涂料生产线有两个反应釜，可通过阀门选择将两种液体原料同时泵送进1号反应釜或2号反应釜中.控制器通过对两种物料进料阀门开度的调节，控制两种物料的进料量，实现对原料的配方控制.

(2) 反应

首先，搅拌器对投入反应釜的两种液体原料进行均匀混合，然后由热源管道向加热器内通入蒸汽，对反应釜加热，使釜内温度达到反应条件，诱导原料发生反应.控制器通过对热源管道阀门的控制，实现对反应温度的恒温调节.

(3) 保持

待反应釜内的生成物料冷却后，生成产物通过泵送的方式进入储罐，并在储罐中缓慢搅拌.控制器对储罐温度进行恒温控制，保持生成物的物性不发生改变.

(4) 填充

储罐中的产物被输送并暂存在填充罐中，等待装车.

(5) 清洗

清洁系统清洗涂料生产线的管道、阀门、反应器、储罐和填充罐等生产装置，等待系统的下次投运.

3 建立模型

由SIMIT软件建立的仿真模型，主要由前台仿真画面和后台仿真逻辑两部分组成.

仿真模型的前台画面，是根据对象工艺开发的仿真操作及显示画面.在前台画面中，可以通过SIMIT绘画工具直接绘制线条、矩形、圆等图形元素，也可以直接插入图片或调用WinCC组态软件库中的设备组件.

后台仿真逻辑则描述了仿真对象中各控制单元或被控对象的工作特性.对于仿真对象的后台逻辑，既可以在一张图表中直接表述整个对象的过程，也可以在多个图表中分别搭建每个控制单元的仿真逻辑，通过各单元的组合，进而实现对仿真对象完整工作过程的仿真.

在涂料生产工艺的仿真对象中，主要对生产工艺的配方给料和反应过程进行仿真，并分别建立了开关阀、搅拌器、料泵、原料罐液位、进料流量、反应釜液位、反应温度等被控对象的仿真逻辑.

仿真系统的前台画面如图3所示.

图3 涂料生产工艺的仿真画面

(1) 开关阀

开关阀的仿真逻辑通过驱动单元“DriveV1”实现阀门开关状态的切换，组件的输入引脚“Open”与开关量输出状态“Y”相对应.若开关量输入为0，则在闭合时间Tclose范围内，Y值被持续跟踪到0；若开关量输入为1，则在开启时间Topen范围内，Y值被持续跟踪到100.即开关量输出状态“Y”只有0和100两种状态，从而实现对阀门开闭状态的模拟.开关阀仿真模型如图4所示.

图4 开关阀仿真模型

(2) 料泵和搅拌器

料泵以驱动单元“DriveP1”作为核心组件，通过输入端“Run”的状态，控制料泵的启动与关闭.当输入端“Run”的值为1时，控制器中的料泵控制程序将被触发；当“Run”为0时，料泵停止工作.

搅拌器电机的核心组件为驱动单元“DeiveP1”和斜坡信号发生器“Ramp”，通过模拟斜坡值y在仿真过程中增量的变化，实现搅拌电机匀速搅拌过程的模拟.斜坡值y的增量Δy为：

(1)

式中，Δt为模拟的增量宽度，UL为上限，LL为下限.

当“Ramp”组件的“+”引脚为1时，斜坡值增加Δy；当“-”引脚为1时，斜坡值减少Δy；若“+”和“-”引脚同时为1，则斜坡值不变.

搅拌器电机仿真模型如图5所示.

图5 搅拌电机仿真模型

(3) 原料罐及反应釜液位

在液位仿真过程中，若仿真对象的前级阀门状态满足条件，则积分器开始工作，当前液位开始累积，从而模拟罐内液位的变化过程；当罐内液位达到低限时，积分器停止工作，液位不再继续累积，对象的仿真过程结束.液位仿真模型如图6所示.

图6 液位仿真模型

液位的仿真模型主要由“MinMax”和“Int”组件构成.

“MinMax”为最大值或最小值组件，可将n个输入x1到xn中的最大值或最小值映射到输出y.该组件中的“Min”映射集，可以根据前级阀门的当前状态，控制积分器是否工作，即：前级阀门均为开启状态时，“Min”组件的各输入引脚为1，液位开始累积；当有任一阀门关闭时，该阀门对应的“Min”组件引脚为0，则此时组件的输出为0，液位累积停止，仿真过程结束.

积分器组件“Int”的积分值y介于UL(上限)与LL(下限)之间,ULR和LLR引脚在分别积分值达到上限和下限时，输出值为1的开关量.积分器的输入值x与输出值y满足如下关系：

(2)

(4) 反应温度

反应温度模型如图7所示.

图7 反应温度仿真模型

反应温度仿真模型采用n阶延迟组件“PTn”模拟反应釜中的温度变化情况.对于一阶延迟，该组件的输出函数值y与输入值x满足如下关系：

(3)

当输入值x产生由0到1的阶跃变化时，函数值y的阶跃响应为：

y=1-e-t/T

在仿真模型的建立过程中，通过多个一阶延迟组件的串联，即可获得高阶延迟的函数值.

(5) 进料流量

进料过程中，控制器通过对进料流量的调节，实现对两种原料生产配方的控制.控制程序可根据当前两种物料的进料量，通过PID控制器调节进料阀门开度，使两种物料的投料比例达到工艺要求.因此，在SIMIT中只需要使用驱动单元“DriveP1”模拟进料阀门的开度变化即可.进料流量仿真模型如图8所示.

图8 进料流量仿真模型

4 仿真实验

本文提出的仿真系统，使用PCS 7作为控制程序的开发软件，控制程序采用控制功能图(CFC)和顺序功能图(SFC)编写.与梯形图编程方式相比，CFC具有编程过程直观、方便的特点，只需将所调用功能块的引脚互相连接，即可完成控制程序的编写；而在过程工业控制中使用SFC，可将各控制环节进行有机结合，使各控制单元按照指定的工艺流程进行.

(1) 控制程序的编译和下载

在仿真开始前，需要对编写完成的CFC与SFC控制程序进行编译，以检查控制程序是否存在错误；编译通过后，点击下载按钮，将控制程序下载到PLCSIM软件中.

(2) 运行PLC

在PLCSIM软件的CPU面板中，点选运行(RUN)或调试运行(RUN-P)选项，即可运行PLC仿真器；打开SFC界面，点击测试按钮，执行顺序控制程序.

(3) 运行仿真程序

基于SIMIT的仿真系统，其仿真过程如图9所示.

打开SIMIT软件，点击软件上部工具栏中的运行图标，运行仿真模型.仿真过程开始后，点击仿真画面中的“填充”按钮，原料罐开始填充原料；原料罐填充完成后，选择投料的反应罐，并开启投料泵，两种原料按配方比例向反应罐中进料；投料完成后，开启搅拌电机匀速搅拌物料；两种原料均匀混合后，反应釜加热器开始加热，使反应釜内温度达到反应温度，两种原料开始发生反应；反应过程结束后，开启反应釜出料泵，生成产物通过排料泵排出反应罐，仿真过程结束.

5 结论

本文以涂料生产工艺的仿真系统为例，介绍了基于SIMIT软件的仿真系统结构、仿真对象的建立过程及实验过程.仿真实验表明，基于SIMIT软件搭建的仿真系统，无需实际的实验设备，通过搭建被控对象的仿真逻辑，即可真实模拟仿真对象的控制过程，具有结构简单、操作方便、真实度高的特点.在PLC的过程控制教学中采用基于SIMIT软件的仿真系统，可以有效解决传统教学中缺少被控对象、难以真实模拟控制过程的问题.

[1] 尹鹏，武建新.Simit环境下PLC控制运料小车系统仿真[J].机电工程术,2017,46(8):46-47+183.

[2] 吉顺平，路明，黄捷.SIMIT及其在PLC教学中的应用[J].电气电子教学学报,2006(5):53-56.

[3] 余朝刚，刘启中，齐东平，等.基于SIMIT SEC的水位PID控制实验[J].实验室研究与探索,2008(8):216-218.

[4] 廖常初.SIMIT在PLC控制系统被控对象仿真中的应用[J].电气时代,2008(2):96-97.

[5] 刘麒,毕胜楠,倪晋超,等.基于运动控制系统的飞剪装置与算法设计[J].吉林化工学院学报,2017,34(7):46-51.