一種PLC氣動控制系統的聯合仿真方法與實現

孫光宇

(東北電力大學 機械工程學院，吉林 吉林 132000)

0 引言

隨著社會的進步與科技水平的提高，自動化生產逐步成為基本要求與發展趨勢。氣壓傳動技術憑借其具有的安全清潔、高速高效、易維護、成本低等優勢，逐漸成為生產過程自動化及機械化最有效的手段之一，在輕工業機械設備尤其在非標自動化設備中得到廣泛應用[1]。目前PLC技術的發展已經取代了傳統繼電器接觸器控制系統，可以對更加復雜的系統進行控制。PLC通過對相應電磁閥的控制，使氣缸、氣動馬達等元件有序執行動作，從而完成各個生產工序。

氣動回路的搭建相對復雜，為了縮短開發周期節約設計成本，可通過仿真的方法驗證設計方案的可行性。本文將對目前常用的兩款仿真軟件FluidSIM和PLCSIM在使用過程中的優點及不足進行分析，提出一種更加直觀可靠的仿真方法。

1 方案的提出

1.1 軟件介紹

STEP7是德國西門子(SIEMENS)公司開發的一款PLC開發軟件，可以對西門子PLC進行硬件組態設置、程序編寫及仿真等操作。PLCSIM是西門子公司開發的PLC模擬軟件，可以在STEP7的環境下對PLC硬件進行模擬，沒有真實PLC也能夠對程序運行情況進行監控仿真。

FluidSIM-P是德國費斯托(Festo)公司開發的一款氣壓傳動教學軟件，包含有豐富的氣動元件及電氣元件。通過使用該軟件，用戶可以較容易地繪制出氣動回路及電氣控制回路，并進行測試及模擬仿真，可以較直觀地看出氣動系統氣體流動路徑、壓力參數以及各執行元件的動作情況，為氣動系統的開發提供了便捷工具[2]。

1.2 存在問題

上述兩個軟件可以對氣動回路以及PLC控制系統進行仿真，但在使用過程中仍存在一些不足之處。PLCSIM操作界面如圖1所示,在PLCSIM軟件PLC仿真界面中，通過對變量的勾選改變端口狀態來模擬外部設備的信號輸入，這種方式操控性較差并且顯示效果不明顯，而在實際自動化設備中常存在多個動作快速進行切換，通過操作者手動點擊改變變量的方式對PLC進行操控，不能準確地掌握動作時序，若考慮不周全還會遺漏實際工作時的觸發動作，使仿真結果的可靠性大大降低。

圖1 PLCSIM操作界面

使用FluidSIM-P軟件對氣動回路進行仿真時，需要對相應的電磁閥進行控制，若手動控制各個電磁閥模擬PLC動作，將同樣存在操作不方便、時序不準確、可靠性低的問題。

1.3 解決方案

針對兩款仿真軟件在仿真中存在的問題，提出將兩款軟件聯合進行仿真的方案，使兩款軟件數據進行交互，通過PLCSIM軟件模擬PLC對氣動系統進行控制，由FluidSIM-P根據PLCSIM的控制執行相應的操作，還可將傳感器的信息返回給PLC，從而對氣動系統的運行情況進行更加真實的仿真，可有效避免因操作人員的不當操作造成的仿真差錯，使仿真結果更加符合實際工作情況[3]。

應用于過程控制的對象鏈接與嵌入技術，簡稱OPC(OLE for Process Control)，是工業控制設備與控制軟件間的一種標準的數據訪問規范，包括OPC服務器和OPC客戶端。OPC客戶端與服務器通過標準接口進行連接，客戶端將數據上傳到服務器或從服務器下載數據，從而實現工業控制系統應用程序之間的通訊[4]。數據交換過程如圖2所示，將OPC服務器作為數據交換的中間環節，則可以將PLCSIM軟件中的數據與FluidSIM軟件中的數據進行交換，從而實現兩個軟件的聯合仿真。

圖2 數據交換示意圖

FluidSIM軟件為我們提供了OPCDDE接口，支持OPC通訊或動態數據交換(DDE)，可連接到OPC服務器獲取控制信息，但PLCSIM自身無法將數據傳輸到OPC服務器上，需要借助西門子官方提供的網絡連接輔助工具NetToPLCSIM，使用該工具即可將PLCSIM的數據發送到OPC服務器。OPC服務器可以使用KEPServerEX軟件進行搭建。

2 仿真環境搭建

本次測試使用軟件環境為：Win10 64位操作系統，FluidSIM-P v3.6、STEP7 v5.6、NetToPLCSIM v1.2.1.0及KEPServerEX 6。

設置方法如下：

(1) 在STEP7軟件中對PLC組態網絡進行設置，并將PLCSIM仿真組件中的網絡與PLC組態網絡均設置為TCP/IP連接，使PLCSIM能夠正常工作。

(2) 在NetToPLCSIM工具中添加PLC站點信息，其中網絡IP地址選擇計算機本地IP地址，PLCSIM IP地址選擇虛擬PLC的IP地址，點擊工具欄中“Get Port 102”連接到以太網接口，下方信息欄中顯示“Port 102 OK”則表明連接正常。

(3) 在KEPServerEX軟件中搭建OPC服務器，建立通道添加PLC設備并將通道IP地址及設備標識ID均填寫計算機本地IP，并根據PLC變量地址將需要交換的數據信息添加到OPC服務器中，添加標簽后如圖3所示。此時點擊KEPServerEX軟件上方OPC Quick Client按鈕可以查看當前PLC變量與連接狀態。

圖3 KEPServerEX6界面

(4) 在FluidSIM-P軟件中繪制氣動原理圖，添加OPC/DDE接口并選擇為OPC模式，連接電氣控制元件，將端口連接到已搭建的服務器選擇要交換的數據。FluidSIM-P軟件中的“FluidSIM In”接口相當于PLC輸出端，應與執行器相連；“FluidSIM Out”接口相當于PLC的輸入端，應與傳感器或按鍵相連。

(5) 在PLCSIM中開始運行虛擬PLC對氣動系統進行控制，FluidSIM-P將根據控制完成相應動作，得到聯合仿真的效果。

3 實例分析

以自動移印機氣動控制系統為例對聯合仿真的方法進行測試，仿真測試界面如圖4所示。經過仿真測試，PLCSIM能夠將PLC端口狀態上傳到OPC服務器，FluidSIM-P中的OPC接口可以根據PLC端口狀態對電磁閥進行控制，并將行程開關等傳感器信號正確發送給PLC。測試過程中，根據氣缸運動情況可以直觀看出PLC程序存在的問題，可準確發現問題并根據現象進行修改。氣動系統按照PLC編寫的程序正常運行，氣缸有序動作，與預期效果一致，仿真結果能夠對真實工作情況進行反映。

圖4 仿真測試界面

4 結論

本文介紹了一種PLC氣動控制系統的仿真方法，并通過實例測試進一步驗證了該方法的可行性。該方法通過使用KEPServerEX軟件搭建OPC服務器實現PLC仿真軟件與FluidSIM-P氣動仿真軟件的數據交換，實現了PLC控制系統與氣動回路的聯合仿真，能夠更加直觀清晰地反映出PLC對氣動回路的控制效果，相比較兩個系統單獨調試提高了設計效率，使仿真結果更加符合真實使用情況，確保了仿真結果的可靠性。該仿真方法可為氣動設備開發人員提供一種經濟高效的開發途徑，具有一定的參考價值。