基于PLC的實時仿真系統的建立

張浩，任正云，馮雪，王成，汪文斌

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

自21世紀以來，信息技術進入了迅速發展的時期，給人們的日常生活帶來了許多方便之處，同時信息技術也提高了人們的工作效率，并且不斷促使社會各方面向自動化、智能化發展。在這樣的背景下，可編程邏輯控制器(PLC)應運而生。但是PLC在仿真測試時需要硬件設備的支持，否則難以進行，但1套PLC的硬件設備可能價值不菲，這就給許多非專業人員帶來了很大的困擾，而本文所建立的實時仿真系統擺脫了硬件設備帶來的局限，完全由軟件構成，不需要硬件設備的支持。

1 實時仿真系統的建立

實時仿真系統的建立方案是將算法封裝在PLC中，而數學模型建立在Simulink組件中，通過實時仿真系統，二者之間得以交換數據，形成一個控制系統，實現實時仿真測試，該仿真系統建立過程如圖1所示。

圖1 實時仿真系統建立思路示意

首先將算法封裝在PLC博圖v14中，通過S7 PLCSim仿真器仿真運行，利用Nettoplcsim軟件將仿真器運行過程中的數據通過TCP/IP協議送至客戶端[1]，客戶端KEPServer通過102端口讀取數據，再通過OPC協議[2]與Matlab相連接，準確地說是與Simulink組件相連接，被控對象的數學模型建立在Simulink組件中，這樣Simulink組件就得到了PLC仿真運行過程中的數據，數據交換都是雙向的，改變任意軟件中數據都可以改變系統的運行狀態，這樣就建立了實時仿真系統。

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軟件打開時需要以管理員身份運行，因為Nettoplcsim軟件的主要作用是將仿真器中的數據讀取至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行，以獲取102端口的暫時性的使用權。獲取102端口之后，添加正在運行的仿真器。

KEPServer[5]是一個基于Windows 32位的應用程序，它提供了一種將各種工業設備和系統中的數據引入PC客戶端應用程序的方法，通過該程序可監視、管理各種自動化設備和控制系統中的數據[6]。

相關配置完成后，在PLC和Nettoplcsim軟件運行的情況下，點擊軟件首頁上的“Quick Client”，即可將PLC中的數據讀取到KEPServer軟件中。

Matlab[7]是美國Mathworks公司開發的一款數學軟件，主要分為兩大部分： Matlab和Simulink。Matlab集數值分析和數據可視化于一身，高級計算語言和科學計算于一體，將諸多功能集成于可視化窗口內，主要用于科學計算、工業控制、圖像處理、數學建模等領域。Simulink是Matlab的一種擴展，提供了一種系統仿真的可視化方案，是Matlab中框圖設計的延伸。

打開Simulink，新建一個模型，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即可實現Simulink與KEPServer的通信，進而實現與PLC的數據交換。

3 人機界面

本文所選用的人機界面[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，在屬性窗口內可以設置畫面上的文本域、I/O域、趨勢圖等；根畫面右側包括工具箱、動畫、布局、指令等，工具箱內包括基本對象、元素、控件和圖形，基本對象內含有基本的圖形、文本域、圖形視圖等，元素內包含I/O域、按鈕、圖形I/O域、時鐘等，控件內含有警報視圖、趨勢視圖、監控表等。利用工具箱向畫面內添加各種圖形、域或視圖等，在屬性窗口內配置圖形、域或視圖，連接變量，添加限制條件，完善人機界面。

4 仿真測試

圖2 Simulink模型示意

在運行過程中從Simulink中向系統加入階躍干擾，得到設定值、輸出值二者的關系曲線，加入干擾的運行測試曲線如圖3所示，其中輸出值能夠快速達到設定值且沒有超調和振蕩，在加入干擾后，輸出值會有些許的超調。表明干擾對輸出值有一定的影響；在Simulink中改變參數對整個控制系統有一定的影響；Simulink和PLC之間存在數據交流。

圖3 加入干擾的控制系統運行測試示意

在系統運行一段時間后，將系統的含水率設定值由15%改到25%，得到的運行結果如圖4所示。

圖4 改變設定值的控制系統運行測試示意

由圖4中波形可以看出，在設定值改變后，輸出值能夠及時反映，及時跟隨新的設定值，且在跟隨過程中不會產生超調和震蕩，表明Simulink與PLC之間存在數據交流。

5 結束語

綜上所述，通過Nettoplcsim，KEPServer等軟件能夠擺脫PLC硬件對于仿真帶來的限制，實現Simulink與PLC之間的數據交流。通過在線實時仿真系統的仿真測試表明，該系統運行狀態穩定，達到了預期目標。