吳 桐，郭書杰

（大連東軟信息學院 智能與電子工程學院，遼寧 大連 116023）

0 引言

進入二十一世紀以來，信息化和智能化給工業(yè)帶來了新的發(fā)展機遇.隨著美國和德國相繼提出 “工業(yè)互聯網” 和 “工業(yè)4.0” ，我國也提出并實施了 “中國制造2025”［1］.高程度智能的自動化生產是現代工業(yè)的典型特征.為了適應時代發(fā)展的需要，教育部提出并實施了 “新工科建設” ，旨在為國家培養(yǎng)出具有創(chuàng)新能力的、滿足工業(yè)信息化需求的卓越人才［2］.高效率信息化的工業(yè)離不開對工業(yè)過程的自動化控制.但是，相關設備的缺乏導致理論知識無法應用于實踐.本文正是基于此現狀，設計了一個模擬工業(yè)自動化常見應用場景的軟件.利用西門子S7-1500可編程邏輯控制器實現對離散行業(yè)和流程行業(yè)典型被控對象的自動控制.市場上已有的此類軟件通常包含的工業(yè)場景單一［3］，且價格昂貴，而本文所設計的仿真系統模擬真實的使用場景，同時降低了此類軟件的使用門檻，解決了學習工業(yè)自動化缺少實驗設備的問題.

1 系統總體設計

本文所設計的仿真系統包含以多層電梯控制為代表的離散行業(yè)自動化和以化合放熱反應為代表的流程行業(yè)自動化.所采用的控制器為西門子S7-1500系列可編程邏輯控制器.S7-1500系列PLC擁有極高的性能和優(yōu)異的可操作性.其位指令的處理時間最低至1納秒，浮點運算的指令處理時間最低至10納秒.更重要的是，即便在沒有實際PLC設備的條件下，也可以使用S7-1500系列PLC仿真軟件，生成虛擬的PLC以及Profinet工業(yè)以太網絡.也就是說，使用本文設計的仿真系統和PLC仿真軟件，即可完成對仿真的被控對象的控制.這一點極大的降低了學習工業(yè)自動化技術的成本.在不方便接觸到實際設備時，使用仿真的PLC和本系統包含的仿真被控對象的優(yōu)勢更加明顯.本軟件利用TCP/IP協議與S7-1500PLC進行實時通訊，將軟件模擬出的傳感器信息傳給PLC，并接收來自PLC的控制信號，通過后臺腳本程序實現控制信號對被控對象的作用.本系統的離散行業(yè)和流程行業(yè)的仿真均有評分功能.這一設計使評測學習效果帶來了很大的便利.

接下來，將按照行業(yè)場景分別介紹軟件的模塊設計與功能.

2 離散行業(yè)仿真設計

本系統選取多層電梯的控制作為離散行業(yè)的具體場景.其功能結構如圖1所示.其軟件設計主要分為前臺界面和后臺腳本.自由練習界面對應著練習模式，只與后臺電梯仿真腳本進行交互，沒有乘客模型，需手動選擇電梯外呼和轎廂內選按鈕.評分界面對應著評分模式，帶有乘客模型，同時與電梯仿真腳本、乘客仿真腳本、評分腳本進行交互.電梯仿真腳本完成根據控制信號模擬電梯運行、開關門操作以及向控制器發(fā)出模擬的傳感器信號等功能.乘客仿真腳本模擬乘客對按鈕的操作和上下電梯的動作.評分腳本實時監(jiān)控電梯的運行狀態(tài)，根據評分規(guī)則和電梯實際運行情況衡量控制效果的優(yōu)劣.

乘客模型的加入可方便電梯控制程序的驗證與評價.利用有限狀態(tài)機（Finite State Machine）將乘客分為五個狀態(tài)：未出現狀態(tài)（狀態(tài)1）、候梯狀態(tài)（狀態(tài)2）、等待過長狀態(tài)（狀態(tài)3）、乘梯狀態(tài)（狀態(tài)4）和到達狀態(tài)（狀態(tài)5）.從狀態(tài)1到狀態(tài)2的轉換由定時器觸發(fā)，乘客在狀態(tài)2按下呼梯按鈕.從狀態(tài)2到狀態(tài)4的轉換由乘客所在樓層的開門動作以及上下行指示觸發(fā)，乘客在狀態(tài)4進入電梯，按下轎廂內選按鈕.若乘客在狀態(tài)2的時間過長，則進入狀態(tài)3，不再候梯.從狀態(tài)4到狀態(tài)5的轉換由到達指定樓層后的開門動作觸發(fā)，乘客離開轎廂.

評分規(guī)則的設計由電梯初始化、響應呼梯請求、運行安全以及電氣設備控制構成.在響應呼梯請求評分中，腳本根據評分結束前處在狀態(tài)5中的乘客人數判定分數，在規(guī)定時間內運送的乘客越多，得分越高.運行安全則主要考慮轎廂開門時機的選擇，以及電梯滿載甚至超重的情況.電氣設備控制考察上下行繼電器互鎖、開關門繼電器互鎖和高低速接觸器互鎖等.

3 流程行業(yè)仿真設計

本系統模擬一個通過放熱反應生產化工產品的過程.其中，原料的進料混合、催化劑和冷卻水的流量等實際生產中的關鍵變量和生產過程在本系統中都可由可編程邏輯控制器進行自動控制.

和在實際生產中測量數據來自現場的傳感器不同，在該模擬系統中，流量、液位、溫度等變量的值來自軟件對生產過程的模擬.在功能設計上，除了模擬流程工業(yè)中的生產過程外，本系統利用組態(tài)軟件，還具有實時曲線的顯示，使溫度、液位等關鍵變量的變化趨勢能更清楚的展現.另外，本系統同樣添加了評分功能.系統會自動的根據產物的濃度、產量，以及被控變量的控制情況進行打分.

3.1 生產流程模擬

本系統以實際的化工生產流程為基礎，設計了所需產物的生產流程［4?5］，如圖2所示.首先，兩種原料按一定比例混合，經過混合罐輸送到反應罐中，在催化劑和預熱蒸汽的作用下，兩種原料發(fā)生強烈的放熱反應，反應罐可由冷卻水進行降溫.反應生成的產物、以及未反應的原料、催化劑、和副反應生成物從反應罐底部流入閃蒸罐.利用各組分的沸點差異，蒸發(fā)出未反應的原料和催化劑，主反應生成的產物成為剩余的液體的主要成分.

3.2 流程行業(yè)仿真腳本

在該模擬系統中，各個和生產密切相關的變量（如流量、壓力等）的實際測量值是在仿真模擬的腳本中產生的.該腳本使得變量的變化按照實際的物理或化學規(guī)律進行，是整個系統的核心.基于對生產流程的分析，該系統考慮流量、液位和溫度的變化.

物料的流量通過閥門控制.設閥門的開度為u，某物料流量為fr，則從開度到流量的傳遞函數可表示為［6］：

其中，T1和k1是可調參數.由于流量對于閥門的響應很快，所以T1是個很小的正數.在該系統中，用一階模型建立了閥門到流量的關系.w表示均值為0的白噪聲，模擬對流量的隨機干擾.

在生產過程中由三個罐體，分別是混合罐、反應罐和閃蒸罐.在這三個罐體中，液位應滿足物料質量守恒原則，液位變化對應的物料質量等于輸送到罐體的物料質量減去排出罐體的物料質量.罐體在k時刻的液位l(k)可表示為：

其中，Δl(k)表示兩個采樣時刻之間對應的液位變化.在計算流出罐體的物料流量時，根據伯努利方程：

其中，P為液體的壓強，ρ為物料的密度，υ表示在罐體出口處的物料流速，l表示液位，h是一個常數.由此可得出，流出的物料流量應正比于液位高度的開方.并且有：

其中，A為罐體橫截面表面積，Qin和Qout分別表示流入和流出罐體的物料流量.

對于該生產過程的自動控制系統設計來說，反應罐溫度的控制相對于液位控制更有難度，因為反應釜溫度有非線性混合大滯后的特點［7?9］.這兩個特點也應反映在對溫度變化的模擬上.反應罐溫度的變化由反應生成熱Qp、冷卻水帶走的熱量Qc、從預熱蒸汽吸收的熱量以及熱量耗散決定.其中，溫度Tf與冷卻水流量fc的傳遞函數為：

其中，T2、K2和τ是可調參數.系統將冷卻水到反應釜溫度的過程用一階滯后模型模擬.由于該過程是強烈的放熱反應，其釋放的熱量與反應的強度成正比，而反應的強度與物料溫度、液位以及原料配比有關.為了模擬反應強度的非線性過程，增加溫度控制的難度，將反應的強度建模成關于物料溫度和反應罐液位的高次多項式形式.

3.3 評分規(guī)則設計

系統自動計算的得分由產物積累量和關鍵變量的控制效果決定.在實際生產中，對產物的濃度通常有較高的要求，產品的濃度對其市場價格也有影響.基于這種情況，在計算產物積累量時，設定產物濃度的閾值.產物積累量在單位時間內的變化量Δp的計算公式如下：

其中c表示此時刻產物濃度，y表示由閃蒸罐流出的物料流量，cth則表示產物濃度的閾值.即僅當產物濃度大于閾值時，其對應的產量才計算在產物積累量中.在規(guī)定的時間內產物積累量越高，這部分的得分越多.

在實際的生產中，總是希望被控變量能長時間穩(wěn)定在期望的工作參數上，波動小，不受外界的干擾.被控變量的控制效果也納入到考核的范圍.系統考察混合罐液位、反應罐液位、閃蒸罐液位以及反應罐內溫度的控制效果.如果被控變量在給定值附近波動較小，則會得到這部分的分數.另一方面，為了生產安全，變量應在安全的范圍內變化，不可超標.例如，液位達到100%，即出現滿罐的情況，在實際生產中是不允許出現的.若在系統運行過程中，由于控制的失誤，使得被控變量超出了安全生產所限定的范圍，則會在已得分數的基礎上扣除較大的分數，作為懲罰.故總得分可表示為：

總分=產物積累得分+控制效果得分?懲罰扣分 （7）

3.4 控制回路設計

控制器的設計需在PLC端完成.系統運行時，PLC通過以太網從仿真系統獲取生產參數的過程值（Process Value），再將計算得到的各個閥門的控制輸出值傳輸給仿真系統，進而完成對各個工藝參數的控制以及生產過程的監(jiān)控.在PLC端，通常采用PID（Proportional-Integral-Derivative）控制算法.該算法在主流PLC產品中都有集成.它的算式為：

其中，kp、Ti和Td分別為比例系數、積分時間和微分時間，是PID控制器的三個可調參數.T為采樣周期，e(k)和e(k ?1)分別為當前采樣時刻和上一個采樣時刻控制回路的誤差.

4 系統運行結果

配置連接的PLC型號和通訊的IP地址，就可以和PLC進行數據交換.圖3是離散行業(yè)電梯控制在評分模式的運行界面.畫面左側顯示了轎廂位置以及各層門鎖的狀態(tài).右側顯示了電梯呼梯指示燈和各傳感器信號的狀態(tài).在評分模式下加載乘客模型，不需要手動呼梯.

圖4 顯示了電梯運行控制子系統的評分界面.該界面讀取并顯示用戶姓名，根據電梯在評分過程中的運行狀態(tài)和運輸乘客的數量給出分數.可以看到，除了運輸乘客得分外，該評分標準還考慮了初始化、電氣互鎖、狀態(tài)指示燈顯示、安全保障和低壓電氣設備（樓層指示、照明設備）控制情況.

圖5 顯示了是流程行業(yè)自動化工藝界面.在該仿真中，將混合罐液位、反應罐液位、閃蒸罐液位以及反應罐溫度通過相應的閥門用單回路閉環(huán)PID進行控制.PLC讀取各工藝變量在軟件中仿真出的現場測量值，按照工藝要求，對系統進行開車操作，依次將液位和溫度等變量手動控制在預定工作點附近，再切換成自動控制模式.界面中能實時顯示與生產相關的各個變量的值.例如，位于圖片右側的反應罐附近，顯示了其液位和溫度.

圖6 展示了實時曲線界面.該界面有實時液位曲線、實時溫度曲線、實時流量曲線以及實時有效產物積累量曲線.有效產物指的是產物濃度大于閾值對應的產量.利用在PLC中建立的閉環(huán)PID控制器，本次仿真將混合罐液位和閃蒸罐液位控制在40%左右，將反應罐液位控制在65%左右，將反應罐溫度控制在98℃附近.

5 結論與展望

本文介紹了一個包含離散行業(yè)和流程行業(yè)的工業(yè)自動化仿真系統.離散行業(yè)選取多層電梯作為被控對象，流程行業(yè)仿真系統包含了進料、化合反應和閃蒸提純的工序.電梯的運行、乘客的行為、以及涉及流程工業(yè)中流量、溫度和液位等生產變量按照其內在規(guī)律由后臺腳本實時模擬.其中，乘客的行為通過有限狀態(tài)機進行控制，流程行業(yè)中的關鍵生產參數由PID控制算法進行自動控制.兩個子系統都設計了評分規(guī)則，提供了評價自動控制效果的參考依據.

工業(yè)自動化在現代化生產中扮演著重要角色.本軟件通過對應用場景的模擬仿真，為學習工業(yè)自動化技術提供了支持.接下來的工作可考慮在系統中增加運動控制的模擬，提供更加豐富的功能.