基于Factory IO 與S7-PLCSIM Advanced 的液位PID 控制工業(yè)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

詹澤海,孫郭鋒

（1.深圳職業(yè)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，深圳 518055；2.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司深圳分公司，深圳 518056）

0 引言

仿真技術(shù)目前已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到工業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)企業(yè)提高開發(fā)效率，加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集、分析、處理能力，減少?zèng)Q策失誤，降低企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)起到了重要的作用。工業(yè)仿真技術(shù)的引入，使工業(yè)設(shè)計(jì)的手段和思想發(fā)生質(zhì)的飛躍。在教學(xué)中，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)半實(shí)物仿真的形式，一方面學(xué)校可以解決大型設(shè)備的安全性問題，降低成本，提升調(diào)試效率；另一方面師生也可以自己搭建仿真環(huán)境進(jìn)行編程調(diào)試完成學(xué)習(xí)[1]。采用仿真技術(shù)開展教學(xué)，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，配以理論和實(shí)際相結(jié)合，使得教學(xué)效率得到大大提高[2-3]。文中介紹一種基于工業(yè)自動(dòng)化仿真軟件Factory IO 及另一款仿真軟件S7-PLCSIM Advanced 的液位Proportion Integration Differentiation 控制（簡稱PID 控制）的工業(yè)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)試方法。

1 Factory IO 仿真場景

Factory IO 是由葡萄牙波爾圖大學(xué)和法國蘭斯大學(xué)聯(lián)合開發(fā)并由 “Real Games” 公司出品的一款PLC 交互式教學(xué)軟件，它包含了工業(yè)系統(tǒng)搭建、PLC編程、PLC 控制系統(tǒng)調(diào)試等技能訓(xùn)練。它充當(dāng)一個(gè)實(shí)時(shí)自動(dòng)化沙盒，具有高品質(zhì)的圖像和音效，可運(yùn)用最常見的自動(dòng)化控制技術(shù)，構(gòu)建工業(yè)仿真系統(tǒng)，同時(shí)它使用一種創(chuàng)新技術(shù)，允許用戶通過拖拽的方式簡單快捷地創(chuàng)建3D 工業(yè)系統(tǒng)。Factory IO 構(gòu)建的任何系統(tǒng)都可由外接技術(shù)、軟件和硬件實(shí)時(shí)控制[4-5]，在工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)電一體化、電氣工程、機(jī)械工程和儀器儀表等專業(yè)的課程教學(xué)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1.1 液位工作站仿真場景創(chuàng)建

使用Factory IO 創(chuàng)建液位工作站模型，模型場景包含以下元器件和設(shè)施：一個(gè)高度為300cm 的容器，容器的上下兩端裝有閥門、壓力傳感器及流量傳感器各一個(gè)。

鼠標(biāo)右鍵單擊工作站模型，在“配置”選項(xiàng)里把工作站模型勾選為“Analog”工作模式，這樣場景里的兩個(gè)傳感器才能使用。此時(shí)，容器上液位傳感器輸出范圍為0～10V；上、下兩端的閥門也分別采用0～10V 的模擬量信號(hào)來調(diào)節(jié)閥門開度。

液位工作站仿真場景如圖1 所示。為了方便調(diào)試，可以單擊在“視圖”菜單下的“添加所有標(biāo)簽至任務(wù)欄”命令，這樣就可以把場景里所有可用的標(biāo)簽顯示出來，調(diào)試初期，可通過標(biāo)簽任務(wù)欄的“強(qiáng)制”功能，快速測試各器件的功能效果。

圖1 液位工作站仿真場景

1.2 建立Factory IO 與S7-PLCSIM Advanced 連接

通過驅(qū)動(dòng)菜單，選擇要與Factory IO連接的PLC類型為S7-1500，并把需要用到的標(biāo)簽與虛擬PLC的IO 端口逐一做好關(guān)聯(lián)，單擊驅(qū)動(dòng)窗口右上角的“配置”，設(shè)置好Factory IO 與S7-PLCSIM Advanced連接參數(shù)，返回驅(qū)動(dòng)窗口，單擊“連接”，當(dāng)S7-PLCSIM Advanced 已運(yùn)行并與Factory IO 的網(wǎng)址同在一個(gè)網(wǎng)段，正常連接后在驅(qū)動(dòng)窗口上有一個(gè)綠色“√”出現(xiàn)，表示Factory IO 與S7-PLCSIM Advanced 以建立連接，如圖2 所示。

圖2 Factory IO 與S7-PLCSIM Advanced 連接狀態(tài)

1.3 場景IO 分配表

當(dāng)Factory IO 與S7-PLCSIM Advanced 建立起正常連接，點(diǎn)擊Factory IO 驅(qū)動(dòng)窗口右下角的箭頭符號(hào)，把當(dāng)前場景下的所有標(biāo)簽導(dǎo)出到指定位置，所導(dǎo)出符號(hào)表將在PLC 編程時(shí)使用。如圖3 所示。

圖3 標(biāo)簽導(dǎo)出

2 控制系統(tǒng)的組成與設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)組成

液位PID 控制系統(tǒng)主要由S7-1500PLC、人機(jī)界面（Human Machine Interface，HMI）和Factory IO 液位工作站的各種執(zhí)行元件組成，如圖4 所示。S7-1500 PLC 為系統(tǒng)控制器，由S7-PLCSIMAdvanced 和TIAPortal 共同仿真；HMI 通過S7-PLCSIMAdvance 與Factory IO 液位工作站上的各個(gè)可執(zhí)行元件進(jìn)行人機(jī)交互。

圖4 液位PID 控制系統(tǒng)組成框圖

2.2 基于TIAPortal 的程序設(shè)計(jì)

2.2.1 創(chuàng)建一個(gè)S7-1500 項(xiàng)目并導(dǎo)入符號(hào)表

通過TIAPortal 創(chuàng)建一個(gè)S7-1500 工作站，新建一個(gè)PLC 變量表，如圖5 所示，并在變量表里導(dǎo)入Factory IO 標(biāo)簽文件。

圖5 PLC 變量表

2.2.2 S7-1500 程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要由兩大部分組成。一是設(shè)計(jì)一個(gè)用于計(jì)算并轉(zhuǎn)換模擬量信號(hào)的程序塊[FB1]，由Main [OB1] 調(diào)用執(zhí)行；二是在Cyclic interrupt[OB30]里處理的PID 運(yùn)算，如圖6 所示

圖6 PLC 程序結(jié)構(gòu)圖

通過“模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[FB1]”的程序代碼用來實(shí)現(xiàn)壓力傳感器信號(hào)與PID 數(shù)據(jù)的換算，把傳感器0～10V 的信號(hào)換算成對(duì)應(yīng)的0～300cm 水位，結(jié)果作為PID 系統(tǒng)的反饋輸入；把PID 運(yùn)算后的輸出換算成閥門對(duì)應(yīng)的0～10V 控制信號(hào)[6]，如圖7 所示。

圖7 [FB1]程序設(shè)計(jì)

“模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換_DB[DB2]”為模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[FB1]的背景數(shù)據(jù)塊，可以存儲(chǔ)計(jì)算過程中的所有數(shù)據(jù)，也是HMI 與PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的地方之一，背景數(shù)據(jù)塊里給液位設(shè)定值及排水閥開度都設(shè)了初值，每次運(yùn)行系統(tǒng)時(shí)都按這個(gè)初值進(jìn)行工作，如圖8 所示。

圖8 [FB1]背景數(shù)據(jù)塊

循環(huán)中斷組織塊[OB30]里直接調(diào)用PID 控制工藝通用控制器指令，如圖9 所示。

圖9 [OB30]程序設(shè)計(jì)

塊的使能端接入一個(gè)布爾信號(hào)，信號(hào)指向?yàn)镕actory IO 的“FACTORYI/O（Running）”。當(dāng)Factory IO 運(yùn)行時(shí)，此信號(hào)接通，PID 控制生效開始工作，另外，PID 控制器設(shè)定值、傳感器反饋值、PID 輸出值均指向“模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換_DB[DB2]”里對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)地址。

PID 工藝組態(tài)時(shí)把控制器類型設(shè)為“長度”，單位選擇“cm”，輸入選擇為“Input”，輸出選擇為“Output”，過程值上限為300cm，其它參數(shù)均為默認(rèn)。

3 觸摸屏組態(tài)

系統(tǒng)調(diào)試需要用到一個(gè)人機(jī)交互界面，項(xiàng)目選用西門子精簡系列面板，畫面組態(tài)如圖10 所示。畫面主要由一個(gè)趨勢(shì)視圖、一個(gè)棒圖及若干IO 域組成，所關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)均出自 “模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換_DB[DB2]”。通過趨勢(shì)視圖可以直觀地看到PID 控制時(shí)設(shè)定值、反饋值及PID 輸出的實(shí)時(shí)曲線變化規(guī)律，通過棒圖可以與Factory IO 畫面的模型形成實(shí)時(shí)的對(duì)比，掌握液位控制的準(zhǔn)確度，IO 域用于顯示或設(shè)置PID 控制器的各個(gè)參數(shù)，便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行必要的控制。

圖10 HMI 畫面組態(tài)

4 Factory IO 與S7-PLCSIM Advanced 聯(lián)合仿真

使用S7-PLCSIM Advanced 進(jìn)行PLC 仿真時(shí)，必須在TIAPortal 項(xiàng)目里啟用兩個(gè)設(shè)置，具體如下。

（1）項(xiàng)目樹視圖里，鼠標(biāo)右鍵單擊PLC 項(xiàng)目，選擇“屬性”菜單，在打開的屬性窗口“常規(guī)”選項(xiàng)卡中，啟用防護(hù)與安全—連接機(jī)制下的“允許來自遠(yuǎn)程對(duì)象的Put/Get 通信訪問”命令，如圖11 所示。

圖11 啟用防護(hù)與安全

（2）鼠標(biāo)右鍵單擊項(xiàng)目樹下的項(xiàng)目名稱，選擇“屬性”菜單，在“保護(hù)”選項(xiàng)卡中勾選“塊編譯時(shí)支持仿真”選項(xiàng)，如圖12 所示。

圖12 塊編譯時(shí)支持仿真

設(shè)置完成后把所有項(xiàng)目程序下載到S7-PLCSIM Advanced，與Factory IO 聯(lián)合仿真調(diào)試。調(diào)試時(shí)可以借助TIAPortal 里的工藝調(diào)試功能進(jìn)行PID 參數(shù)自整定[7-9]，這里必須確保PID 工藝指令是在循環(huán)中斷組織塊[OB30]里執(zhí)行，否則將無法進(jìn)行參數(shù)自整定，如圖13 所示。

圖13 PID 工藝調(diào)試

把自整定結(jié)果重新下載到S7-PLCSIM Advanced，然后就可以通過HMI 畫面對(duì)Factory IO 場景下的工作站模型進(jìn)行液位PID 仿真控制，通過HMI 畫面可以在0-300cm 范圍內(nèi)任意設(shè)置液位，同時(shí)可以通過IO 域查看實(shí)時(shí)液位反饋值與兩個(gè)調(diào)節(jié)閥的開度，也可以通過趨勢(shì)圖來觀測PID 控制曲線，如圖14 所示。如果覺得控制效果不理想，還可以通過對(duì)應(yīng)的IO 域進(jìn)行PID 參數(shù)修改。

圖14 Factory IO 液位PID 控制仿真運(yùn)行

5 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，通過適當(dāng)調(diào)整PID 參數(shù)，可以使得PID 控制仿真系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、響應(yīng)速度和動(dòng)態(tài)性能等指標(biāo)都與實(shí)際情況接近。可以看出，基于Factory IO 與S7-PLCSIM Advanced 的液位PID 控制工業(yè)仿真近乎完美地還原了真實(shí)控制環(huán)境，不但提升調(diào)試效率，還可以大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性和趣味性，這種工業(yè)仿真具有良好的教學(xué)效果和推廣價(jià)值。