基于S7-1500的工业自动化仿真软件设计

吴 桐，郭书杰

（大连东软信息学院 智能与电子工程学院，辽宁 大连 116023）

0 引言

进入二十一世纪以来，信息化和智能化给工业带来了新的发展机遇.随着美国和德国相继提出 “工业互联网” 和 “工业4.0” ，我国也提出并实施了 “中国制造2025”［1］.高程度智能的自动化生产是现代工业的典型特征.为了适应时代发展的需要，教育部提出并实施了 “新工科建设” ，旨在为国家培养出具有创新能力的、满足工业信息化需求的卓越人才［2］.高效率信息化的工业离不开对工业过程的自动化控制.但是，相关设备的缺乏导致理论知识无法应用于实践.本文正是基于此现状，设计了一个模拟工业自动化常见应用场景的软件.利用西门子S7-1500可编程逻辑控制器实现对离散行业和流程行业典型被控对象的自动控制.市场上已有的此类软件通常包含的工业场景单一［3］，且价格昂贵，而本文所设计的仿真系统模拟真实的使用场景，同时降低了此类软件的使用门槛，解决了学习工业自动化缺少实验设备的问题.

1 系统总体设计

本文所设计的仿真系统包含以多层电梯控制为代表的离散行业自动化和以化合放热反应为代表的流程行业自动化.所采用的控制器为西门子S7-1500系列可编程逻辑控制器.S7-1500系列PLC拥有极高的性能和优异的可操作性.其位指令的处理时间最低至1纳秒，浮点运算的指令处理时间最低至10纳秒.更重要的是，即便在没有实际PLC设备的条件下，也可以使用S7-1500系列PLC仿真软件，生成虚拟的PLC以及Profinet工业以太网络.也就是说，使用本文设计的仿真系统和PLC仿真软件，即可完成对仿真的被控对象的控制.这一点极大的降低了学习工业自动化技术的成本.在不方便接触到实际设备时，使用仿真的PLC和本系统包含的仿真被控对象的优势更加明显.本软件利用TCP/IP协议与S7-1500PLC进行实时通讯，将软件模拟出的传感器信息传给PLC，并接收来自PLC的控制信号，通过后台脚本程序实现控制信号对被控对象的作用.本系统的离散行业和流程行业的仿真均有评分功能.这一设计使评测学习效果带来了很大的便利.

接下来，将按照行业场景分别介绍软件的模块设计与功能.

2 离散行业仿真设计

本系统选取多层电梯的控制作为离散行业的具体场景.其功能结构如图1所示.其软件设计主要分为前台界面和后台脚本.自由练习界面对应着练习模式，只与后台电梯仿真脚本进行交互，没有乘客模型，需手动选择电梯外呼和轿厢内选按钮.评分界面对应着评分模式，带有乘客模型，同时与电梯仿真脚本、乘客仿真脚本、评分脚本进行交互.电梯仿真脚本完成根据控制信号模拟电梯运行、开关门操作以及向控制器发出模拟的传感器信号等功能.乘客仿真脚本模拟乘客对按钮的操作和上下电梯的动作.评分脚本实时监控电梯的运行状态，根据评分规则和电梯实际运行情况衡量控制效果的优劣.

乘客模型的加入可方便电梯控制程序的验证与评价.利用有限状态机（Finite State Machine）将乘客分为五个状态：未出现状态（状态1）、候梯状态（状态2）、等待过长状态（状态3）、乘梯状态（状态4）和到达状态（状态5）.从状态1到状态2的转换由定时器触发，乘客在状态2按下呼梯按钮.从状态2到状态4的转换由乘客所在楼层的开门动作以及上下行指示触发，乘客在状态4进入电梯，按下轿厢内选按钮.若乘客在状态2的时间过长，则进入状态3，不再候梯.从状态4到状态5的转换由到达指定楼层后的开门动作触发，乘客离开轿厢.

评分规则的设计由电梯初始化、响应呼梯请求、运行安全以及电气设备控制构成.在响应呼梯请求评分中，脚本根据评分结束前处在状态5中的乘客人数判定分数，在规定时间内运送的乘客越多，得分越高.运行安全则主要考虑轿厢开门时机的选择，以及电梯满载甚至超重的情况.电气设备控制考察上下行继电器互锁、开关门继电器互锁和高低速接触器互锁等.

3 流程行业仿真设计

本系统模拟一个通过放热反应生产化工产品的过程.其中，原料的进料混合、催化剂和冷却水的流量等实际生产中的关键变量和生产过程在本系统中都可由可编程逻辑控制器进行自动控制.

和在实际生产中测量数据来自现场的传感器不同，在该模拟系统中，流量、液位、温度等变量的值来自软件对生产过程的模拟.在功能设计上，除了模拟流程工业中的生产过程外，本系统利用组态软件，还具有实时曲线的显示，使温度、液位等关键变量的变化趋势能更清楚的展现.另外，本系统同样添加了评分功能.系统会自动的根据产物的浓度、产量，以及被控变量的控制情况进行打分.

3.1 生产流程模拟

本系统以实际的化工生产流程为基础，设计了所需产物的生产流程［4−5］，如图2所示.首先，两种原料按一定比例混合，经过混合罐输送到反应罐中，在催化剂和预热蒸汽的作用下，两种原料发生强烈的放热反应，反应罐可由冷却水进行降温.反应生成的产物、以及未反应的原料、催化剂、和副反应生成物从反应罐底部流入闪蒸罐.利用各组分的沸点差异，蒸发出未反应的原料和催化剂，主反应生成的产物成为剩余的液体的主要成分.

3.2 流程行业仿真脚本

在该模拟系统中，各个和生产密切相关的变量（如流量、压力等）的实际测量值是在仿真模拟的脚本中产生的.该脚本使得变量的变化按照实际的物理或化学规律进行，是整个系统的核心.基于对生产流程的分析，该系统考虑流量、液位和温度的变化.

物料的流量通过阀门控制.设阀门的开度为u，某物料流量为fr，则从开度到流量的传递函数可表示为［6］：

其中，T1和k1是可调参数.由于流量对于阀门的响应很快，所以T1是个很小的正数.在该系统中，用一阶模型建立了阀门到流量的关系.w表示均值为0的白噪声，模拟对流量的随机干扰.

在生产过程中由三个罐体，分别是混合罐、反应罐和闪蒸罐.在这三个罐体中，液位应满足物料质量守恒原则，液位变化对应的物料质量等于输送到罐体的物料质量减去排出罐体的物料质量.罐体在k时刻的液位l(k)可表示为：

其中，Δl(k)表示两个采样时刻之间对应的液位变化.在计算流出罐体的物料流量时，根据伯努利方程：

其中，P为液体的压强，ρ为物料的密度，υ表示在罐体出口处的物料流速，l表示液位，h是一个常数.由此可得出，流出的物料流量应正比于液位高度的开方.并且有：

其中，A为罐体横截面表面积，Qin和Qout分别表示流入和流出罐体的物料流量.

对于该生产过程的自动控制系统设计来说，反应罐温度的控制相对于液位控制更有难度，因为反应釜温度有非线性混合大滞后的特点［7−9］.这两个特点也应反映在对温度变化的模拟上.反应罐温度的变化由反应生成热Qp、冷却水带走的热量Qc、从预热蒸汽吸收的热量以及热量耗散决定.其中，温度Tf与冷却水流量fc的传递函数为：

其中，T2、K2和τ是可调参数.系统将冷却水到反应釜温度的过程用一阶滞后模型模拟.由于该过程是强烈的放热反应，其释放的热量与反应的强度成正比，而反应的强度与物料温度、液位以及原料配比有关.为了模拟反应强度的非线性过程，增加温度控制的难度，将反应的强度建模成关于物料温度和反应罐液位的高次多项式形式.

3.3 评分规则设计

系统自动计算的得分由产物积累量和关键变量的控制效果决定.在实际生产中，对产物的浓度通常有较高的要求，产品的浓度对其市场价格也有影响.基于这种情况，在计算产物积累量时，设定产物浓度的阈值.产物积累量在单位时间内的变化量Δp的计算公式如下：

其中c表示此时刻产物浓度，y表示由闪蒸罐流出的物料流量，cth则表示产物浓度的阈值.即仅当产物浓度大于阈值时，其对应的产量才计算在产物积累量中.在规定的时间内产物积累量越高，这部分的得分越多.

在实际的生产中，总是希望被控变量能长时间稳定在期望的工作参数上，波动小，不受外界的干扰.被控变量的控制效果也纳入到考核的范围.系统考察混合罐液位、反应罐液位、闪蒸罐液位以及反应罐内温度的控制效果.如果被控变量在给定值附近波动较小，则会得到这部分的分数.另一方面，为了生产安全，变量应在安全的范围内变化，不可超标.例如，液位达到100%，即出现满罐的情况，在实际生产中是不允许出现的.若在系统运行过程中，由于控制的失误，使得被控变量超出了安全生产所限定的范围，则会在已得分数的基础上扣除较大的分数，作为惩罚.故总得分可表示为：

总分=产物积累得分+控制效果得分−惩罚扣分 （7）

3.4 控制回路设计

控制器的设计需在PLC端完成.系统运行时，PLC通过以太网从仿真系统获取生产参数的过程值（Process Value），再将计算得到的各个阀门的控制输出值传输给仿真系统，进而完成对各个工艺参数的控制以及生产过程的监控.在PLC端，通常采用PID（Proportional-Integral-Derivative）控制算法.该算法在主流PLC产品中都有集成.它的算式为：

其中，kp、Ti和Td分别为比例系数、积分时间和微分时间，是PID控制器的三个可调参数.T为采样周期，e(k)和e(k −1)分别为当前采样时刻和上一个采样时刻控制回路的误差.

4 系统运行结果

配置连接的PLC型号和通讯的IP地址，就可以和PLC进行数据交换.图3是离散行业电梯控制在评分模式的运行界面.画面左侧显示了轿厢位置以及各层门锁的状态.右侧显示了电梯呼梯指示灯和各传感器信号的状态.在评分模式下加载乘客模型，不需要手动呼梯.

图4 显示了电梯运行控制子系统的评分界面.该界面读取并显示用户姓名，根据电梯在评分过程中的运行状态和运输乘客的数量给出分数.可以看到，除了运输乘客得分外，该评分标准还考虑了初始化、电气互锁、状态指示灯显示、安全保障和低压电气设备（楼层指示、照明设备）控制情况.

图5 显示了是流程行业自动化工艺界面.在该仿真中，将混合罐液位、反应罐液位、闪蒸罐液位以及反应罐温度通过相应的阀门用单回路闭环PID进行控制.PLC读取各工艺变量在软件中仿真出的现场测量值，按照工艺要求，对系统进行开车操作，依次将液位和温度等变量手动控制在预定工作点附近，再切换成自动控制模式.界面中能实时显示与生产相关的各个变量的值.例如，位于图片右侧的反应罐附近，显示了其液位和温度.

图6 展示了实时曲线界面.该界面有实时液位曲线、实时温度曲线、实时流量曲线以及实时有效产物积累量曲线.有效产物指的是产物浓度大于阈值对应的产量.利用在PLC中建立的闭环PID控制器，本次仿真将混合罐液位和闪蒸罐液位控制在40%左右，将反应罐液位控制在65%左右，将反应罐温度控制在98℃附近.

5 结论与展望

本文介绍了一个包含离散行业和流程行业的工业自动化仿真系统.离散行业选取多层电梯作为被控对象，流程行业仿真系统包含了进料、化合反应和闪蒸提纯的工序.电梯的运行、乘客的行为、以及涉及流程工业中流量、温度和液位等生产变量按照其内在规律由后台脚本实时模拟.其中，乘客的行为通过有限状态机进行控制，流程行业中的关键生产参数由PID控制算法进行自动控制.两个子系统都设计了评分规则，提供了评价自动控制效果的参考依据.

工业自动化在现代化生产中扮演着重要角色.本软件通过对应用场景的模拟仿真，为学习工业自动化技术提供了支持.接下来的工作可考虑在系统中增加运动控制的模拟，提供更加丰富的功能.