基于PLC的实时仿真系统的建立

张浩，任正云，冯雪，王成，汪文斌

(1. 东华大学，上海 201620；2. 四川烟叶复烤有限责任公司，四川 成都 610041)

自21世纪以来，信息技术进入了迅速发展的时期，给人们的日常生活带来了许多方便之处，同时信息技术也提高了人们的工作效率，并且不断促使社会各方面向自动化、智能化发展。在这样的背景下，可编程逻辑控制器(PLC)应运而生。但是PLC在仿真测试时需要硬件设备的支持，否则难以进行，但1套PLC的硬件设备可能价值不菲，这就给许多非专业人员带来了很大的困扰，而本文所建立的实时仿真系统摆脱了硬件设备带来的局限，完全由软件构成，不需要硬件设备的支持。

1 实时仿真系统的建立

实时仿真系统的建立方案是将算法封装在PLC中，而数学模型建立在Simulink组件中，通过实时仿真系统，二者之间得以交换数据，形成一个控制系统，实现实时仿真测试，该仿真系统建立过程如图1所示。

图1 实时仿真系统建立思路示意

首先将算法封装在PLC博图v14中，通过S7 PLCSim仿真器仿真运行，利用Nettoplcsim软件将仿真器运行过程中的数据通过TCP/IP协议送至客户端[1]，客户端KEPServer通过102端口读取数据，再通过OPC协议[2]与Matlab相连接，准确地说是与Simulink组件相连接，被控对象的数学模型建立在Simulink组件中，这样Simulink组件就得到了PLC仿真运行过程中的数据，数据交换都是双向的，改变任意软件中数据都可以改变系统的运行状态，这样就建立了实时仿真系统。

2 软件介绍与配置

Nettoplcsim[3]是一款用于连接PLC的软件，主要支持S7-300/400，S7-1200，S7-1500系列PLC，该软件能够利用仿真器将PLC连接到KEPServer，OPC-Server，WinCC，Intouch[4]等软件上。Nettoplcsim软件打开时需要以管理员身份运行，因为Nettoplcsim软件的主要作用是将仿真器中的数据读取至102端口，而102端口一般是被电脑占用的，所以需要以管理员身份运行，以获取102端口的暂时性的使用权。获取102端口之后，添加正在运行的仿真器。

KEPServer[5]是一个基于Windows 32位的应用程序，它提供了一种将各种工业设备和系统中的数据引入PC客户端应用程序的方法，通过该程序可监视、管理各种自动化设备和控制系统中的数据[6]。

相关配置完成后，在PLC和Nettoplcsim软件运行的情况下，点击软件首页上的“Quick Client”，即可将PLC中的数据读取到KEPServer软件中。

Matlab[7]是美国Mathworks公司开发的一款数学软件，主要分为两大部分： Matlab和Simulink。Matlab集数值分析和数据可视化于一身，高级计算语言和科学计算于一体，将诸多功能集成于可视化窗口内，主要用于科学计算、工业控制、图像处理、数学建模等领域。Simulink是Matlab的一种扩展，提供了一种系统仿真的可视化方案，是Matlab中框图设计的延伸。

打开Simulink，新建一个模型，打开Simulink Library Browser，从OPC Toolbox[8]工具箱中添加OPC配置模块，OPC读入模块和OPC写出模块，首先配置OPC配置模块然后通过OPC读入模块的“Add Items”添加变量， 配置OPC写出模块即可。通过OPC即可实现Simulink与KEPServer的通信，进而实现与PLC的数据交换。

3 人机界面

本文所选用的人机界面[9]是HMI TP900 Comfort，根画面是主要的制图空间。根画面下方是属性窗口，在属性窗口内可以设置画面上的文本域、I/O域、趋势图等；根画面右侧包括工具箱、动画、布局、指令等，工具箱内包括基本对象、元素、控件和图形，基本对象内含有基本的图形、文本域、图形视图等，元素内包含I/O域、按钮、图形I/O域、时钟等，控件内含有警报视图、趋势视图、监控表等。利用工具箱向画面内添加各种图形、域或视图等，在属性窗口内配置图形、域或视图，连接变量，添加限制条件，完善人机界面。

4 仿真测试

图2 Simulink模型示意

在运行过程中从Simulink中向系统加入阶跃干扰，得到设定值、输出值二者的关系曲线，加入干扰的运行测试曲线如图3所示，其中输出值能够快速达到设定值且没有超调和振荡，在加入干扰后，输出值会有些许的超调。表明干扰对输出值有一定的影响；在Simulink中改变参数对整个控制系统有一定的影响；Simulink和PLC之间存在数据交流。

图3 加入干扰的控制系统运行测试示意

在系统运行一段时间后，将系统的含水率设定值由15%改到25%，得到的运行结果如图4所示。

图4 改变设定值的控制系统运行测试示意

由图4中波形可以看出，在设定值改变后，输出值能够及时反映，及时跟随新的设定值，且在跟随过程中不会产生超调和震荡，表明Simulink与PLC之间存在数据交流。

5 结束语

综上所述，通过Nettoplcsim，KEPServer等软件能够摆脱PLC硬件对于仿真带来的限制，实现Simulink与PLC之间的数据交流。通过在线实时仿真系统的仿真测试表明，该系统运行状态稳定，达到了预期目标。