董 威

(1.中國煤炭科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063000； 2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

S7-PLCSIM仿真軟件在選煤廠PLC程序調(diào)試中的應(yīng)用

董 威1，2

(1.中國煤炭科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063000； 2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

通過示例程序，介紹了如何利用STEP 7仿真軟件S7-PLCSIM實現(xiàn)選煤廠上位機組態(tài)軟件和PLC程序、PLC硬件、現(xiàn)場設(shè)備和儀器儀表的仿真調(diào)試,并列舉出了一個模擬仿真調(diào)試。

仿真調(diào)試；PLC；S7-PLCSIM；WinCC；下位機；上位機

目前，國內(nèi)外以PLC為基本控制平臺的選煤廠自動化控制系統(tǒng)自動化程序主要分為上位機程序(人-機界面)與下位機程序(控制程序)。在生產(chǎn)調(diào)試過程中，一般需要兩部分程序都設(shè)計完成后，再連接實際的PLC硬件與控制設(shè)備進(jìn)行整體調(diào)試。但在幾種情況下則先需要對程序進(jìn)行仿真調(diào)試，如：①對新程序進(jìn)行測試，以確定其是否可以實現(xiàn)預(yù)期的控制效果；②程序設(shè)計好以后，PLC硬件尚未購回或未裝配完成，需對程序正確性進(jìn)行驗證；③直接在現(xiàn)場調(diào)試某些設(shè)備的啟停存在一定風(fēng)險，容易發(fā)生事故。

為了解決這些問題，一些PLC生產(chǎn)廠家提供了可以代替PLC硬件進(jìn)行調(diào)試的仿真軟件，如西門子公司的S7-PLCSIM軟件。該軟件通過對西門子PLC數(shù)字量I/O、模擬量I/O的仿真，將上位機與下位機相結(jié)合，可較好地完成對選煤廠控制系統(tǒng)的整體仿真調(diào)試[1]。

1 S7-PLCSIM的主要功能

S7-PLCSIM能夠模擬西門子PLC的硬件環(huán)境，進(jìn)行在線程序調(diào)試,檢驗程序正確性。其主要功能有：

(1)模擬PLC硬件，對S7-300/400PLC的程序在不同的硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)下進(jìn)行編譯和下載，可以模擬對PLC的CPU進(jìn)行上電/斷電、啟動/停止、清除/復(fù)位等操作。

(2)模擬對位存儲器、外圍輸入變量區(qū)和輸出變量區(qū)的操作,以及對存儲在數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀/寫。

(3)實現(xiàn)對累加器、寄存器、定時器和計數(shù)器的監(jiān)視和修改,通過程序使定時器自動運行或手動復(fù)位。

(4)在PLCSIM中仿真的PLC(包括硬件與程序)和調(diào)試使用的輸入/輸出變量、定時器等窗口可分別保存，有利于調(diào)試大型復(fù)雜程序。

(5)能夠記錄一系列操作事件及回放記錄,從而自動測試程序。

2 PLC程序與WINCC程序

仿真調(diào)試一般情況下針對的是項目實際應(yīng)用的程序，為了便于說明，這里以變頻電機及其冷卻風(fēng)扇的控制作為案例，對PLC程序與WINCC畫面進(jìn)行編寫。

2.1 下位機的硬件組態(tài)及程序編寫

下位機硬件組態(tài)包括所需仿真的模塊，即數(shù)字量I/O和模擬量I/O模塊。CPU模塊型號為CPU 315-2DP，電源模塊型號為PS 307 5A，通信模塊型號為CP 343-1，以TCP/IP方式進(jìn)行仿真通信，如圖1所示[2]。

圖1 下位機硬件組態(tài)及通信Fig.1 Hardware configuration and communication of lower computer

由于控制對象為變頻電機及其冷卻風(fēng)扇，因此在功能FC1內(nèi)對其進(jìn)行編程，在主循環(huán)程序OB1中運行FC1[3]。具體如下：①控制電機?！皢与姍C”按鈕(M0.0)有置位脈沖時，PLC內(nèi)電機啟動DO(Q8.0)置位，電機控制回路閉合；閉合后，由控制回路返回一個DI(I4.0)置位信號，該信號即為電機運行信號；“停止電機”按鈕(M0.1)有置位脈沖或S7-PLCSIM模擬的電機故障DI、風(fēng)扇故障DI任一置位時，PLC內(nèi)電機啟動DO(Q8.0)復(fù)位，控制回路斷開，運行DI(I4.0)信號復(fù)位，即電機處于停止?fàn)顟B(tài)；②控制風(fēng)扇。電機一旦運行，風(fēng)扇自動運行，即電機運行DI(I4.0) 置位則風(fēng)扇啟動DO(Q8.1)置位，風(fēng)扇控制回路閉合；閉合后，由控制回路返回一個DI(I4.2)置位信號，該信號即為風(fēng)扇運行狀態(tài)信號；電機一旦由運行狀態(tài)變?yōu)橥Ｖ範(fàn)顟B(tài)，則風(fēng)扇在電機停止后延時4s自動停止，即風(fēng)扇啟動DO(Q8.1)復(fù)位。③控制頻率。主要是給定電機(變頻器)頻率，采集當(dāng)前頻率反饋值。

2.2 上位機通信選擇及人-機界面編程

在通信設(shè)置及變量建立時，首先需在上位機WinCC軟件中新建項目，在項目管理器左側(cè)選擇變量管理，右鍵選擇“屬性”，選擇“添加新的驅(qū)動程序”，然后在對話框中選擇“SIMATIC S7 Protocol Suite.chn”[4]，在“變量管理”下拉列表中選擇“SIMATIC S7 Protocol Suite”下的“TCP/IP”通信方式，并建立新驅(qū)動程序的連接，并在該連接下建立上位機程序的相關(guān)變量，如圖2所示。當(dāng)應(yīng)用WinCC參與模擬仿真時，需設(shè)置TCP/IP通道的邏輯設(shè)備名稱，在項目管理器變量管理中，選擇SIMATIC S7 Protocol Suite下的“TCP/IP”通信方式，右鍵選擇“系統(tǒng)參數(shù)”，選擇對話框中的“單元”，邏輯設(shè)備名稱選擇“PLCSIM(RFC 1006)”，即與SIMATIC Manager中PG/PC接口選擇相一致[5]。

圖2 上位機通信方式選擇及變量建立Fig.2 Communication selection and variable to establish for upper computer

在圖形編輯器中新建畫面，作為仿真模擬程序的人-機界面，包括電機的啟動、停止按鈕，電機的狀態(tài)顯示，風(fēng)扇的狀態(tài)顯示，頻率的給定、反饋以及動畫等[6]，如圖3所示。完成后，運行WinCC程序，如此時上位機與仿真的PLC程序連接正常，則可進(jìn)行全系統(tǒng)的模擬仿真操作。

3 S7-PLCSIM的仿真調(diào)試

3.1 在線運行S7-PLCSIM

在線運行S7-PLCSIM步驟如下：

(1)PG/PC接口設(shè)置。在SIMATIC Manager上方菜單中選擇選項中的“設(shè)置PG/PC接口”，在對話框中選擇“PLCSIM(TCP/IP)接口”[7]。

(2)運行S7-PLCSIM。在SIMATIC Manager上方菜單中選擇選項中“模塊仿真”，即可打開S7-PLCSIM，選擇S7-PLCSIM中的“Select CPU access node”，點擊OK確定，選擇Ethernet(1)adr:IP:192.168.0.1，即硬件組態(tài)中通信模塊CP 343-1所設(shè)置的IP地址[8]。仿真模擬通信成功后，即可對S7-PLCSIM進(jìn)行PLC的仿真在線運行、程序的下載、程序段的監(jiān)視、對變量值的修改等操作。通過對DI/DO、AI/AO等的模擬，實現(xiàn)仿真項目程序在實際現(xiàn)場中的調(diào)試。

圖3 仿真程序的人-機界面Fig.3 Man-machine interface of simulated program

(3)對程序進(jìn)行仿真調(diào)試。調(diào)試編寫編譯正常后，運行S7-PLCSIM與WinCC程序，打開SIMATIC Manager中的FC1，對其中的程序進(jìn)行在線監(jiān)視，如圖4所示[9]。

圖4 三軟件同時運行界面Fig.4 Three software in simultaneous operation

3.2 模擬仿真調(diào)試舉例

對一模擬仿真調(diào)試進(jìn)行具體操作的步驟為：

(1)點擊WinCC中“啟動電機”按鈕，F(xiàn)C1塊中電機控制程序段電機啟動DO(Q8.0)應(yīng)置位；點擊WinCC中“停止電機”按鈕，F(xiàn)C1塊中電機啟動DO(Q8.0)應(yīng)復(fù)位。

(2)在S7-PLCSIM仿真軟件中，將S7-PLCSIM中電機運行DI(I4.0)強行置位，F(xiàn)C1塊中風(fēng)扇啟動DO(Q8.1)應(yīng)置位，同時WinCC中應(yīng)顯示電機處于運行狀態(tài)；將S7-PLCSIM中電機運行DI(I4.0)強行復(fù)位，F(xiàn)C1塊中風(fēng)扇啟動DO(Q8.1)應(yīng)延時4 s后復(fù)位，WinCC中應(yīng)顯示電機處于停止?fàn)顟B(tài)。

(3)將S7-PLCSIM中電機故障DI(I4.1)或風(fēng)扇故障DI(I4.3)強行置位，F(xiàn)C1塊中電機啟動DO(Q8.0)應(yīng)復(fù)位，WinCC中應(yīng)顯示電機或風(fēng)扇處于故障狀態(tài)。

(4)將WinCC中的給定頻率輸入一定數(shù)值(0～50之間)，需檢查監(jiān)控FC1塊中給定頻率程序段是否運行正常；將S7-PLCSIM中頻率反饋AI(PIW304)強行給定數(shù)值，需查看監(jiān)控FC1中頻率反饋程序段是否得到此數(shù)值，WinCC中頻率反饋是否顯示正常。

4 結(jié)語

目前國內(nèi)選煤廠設(shè)計能力越來越大，需要集中控制的設(shè)備、儀器和儀表也隨之增多，使選煤廠集中控制程序越來越復(fù)雜，以致于在調(diào)試中容易出現(xiàn)各種各樣的問題。如果程序的調(diào)試主要在現(xiàn)場進(jìn)行，則可能調(diào)試條件、調(diào)試時間均不滿足，甚至在調(diào)試中發(fā)生危險，對生產(chǎn)和人身安全造成危害，后果非常嚴(yán)重。S7-PLCSIM軟件可很好地模擬西門子PLC的硬件環(huán)境，利用仿真手段，最大限度地模擬整個集控系統(tǒng)對設(shè)備的控制，以檢測程序是否正常，便于提早發(fā)現(xiàn)上位機與下位機程序存在的問題并及時改正，從而縮短現(xiàn)場調(diào)試時間，節(jié)約人力、物力與財力，并減少事故發(fā)生的幾率。

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[5] 西門子自動化與驅(qū)動集團.深入淺出西門子S7-300 PLC [M],北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[6] 西門子自動化與驅(qū)動集團.深入淺出西門子WinCC V6[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

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Application of simulation software S7-PLCSIM in program debugging of PLC

DONG Wei1,2

(1. China Coal Technology & Engineering Group Tangshan Research Institute Co,Ltd.,Tangshan,Hebei 063000,China; 2. Coal Preparation Engineering & Technology Research Center in Hebei Province,Tangshan，Hebei 063012,China)

The method using simulation software S7-PLCSIM of STEP 7 to realize simulation debugging between upper computer configuration software or PLC and PLC hardware,equipment or instrument,is introduced by typical example,and then an analog simulation debugging is given.

simulation debugging; PLC; S7-PLCSIM; WinCC; lower computer; upper computer

1001-3571(2015)02-0074-03

TD948.9

A

2014-12-08

10.16447/j.cnki.cpt.2015.02.021

董 威(1986—)，男，遼寧省錦州市人，助理工程師，從事選煤廠自動化控制系統(tǒng)設(shè)計工作。

E-mail：td_automation@126.com Tel：0315-7759643