孫光宇

(東北電力大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132000)

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步與科技水平的提高，自動(dòng)化生產(chǎn)逐步成為基本要求與發(fā)展趨勢(shì)。氣壓傳動(dòng)技術(shù)憑借其具有的安全清潔、高速高效、易維護(hù)、成本低等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化及機(jī)械化最有效的手段之一，在輕工業(yè)機(jī)械設(shè)備尤其在非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用[1]。目前PLC技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)取代了傳統(tǒng)繼電器接觸器控制系統(tǒng)，可以對(duì)更加復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行控制。PLC通過(guò)對(duì)相應(yīng)電磁閥的控制，使氣缸、氣動(dòng)馬達(dá)等元件有序執(zhí)行動(dòng)作，從而完成各個(gè)生產(chǎn)工序。

氣動(dòng)回路的搭建相對(duì)復(fù)雜，為了縮短開(kāi)發(fā)周期節(jié)約設(shè)計(jì)成本，可通過(guò)仿真的方法驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。本文將對(duì)目前常用的兩款仿真軟件FluidSIM和PLCSIM在使用過(guò)程中的優(yōu)點(diǎn)及不足進(jìn)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(guó)西門(mén)子(SIEMENS)公司開(kāi)發(fā)的一款PLC開(kāi)發(fā)軟件，可以對(duì)西門(mén)子PLC進(jìn)行硬件組態(tài)設(shè)置、程序編寫(xiě)及仿真等操作。PLCSIM是西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的PLC模擬軟件，可以在STEP7的環(huán)境下對(duì)PLC硬件進(jìn)行模擬，沒(méi)有真實(shí)PLC也能夠?qū)Τ绦蜻\(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控仿真。

FluidSIM-P是德國(guó)費(fèi)斯托(Festo)公司開(kāi)發(fā)的一款氣壓傳動(dòng)教學(xué)軟件，包含有豐富的氣動(dòng)元件及電氣元件。通過(guò)使用該軟件，用戶可以較容易地繪制出氣動(dòng)回路及電氣控制回路，并進(jìn)行測(cè)試及模擬仿真，可以較直觀地看出氣動(dòng)系統(tǒng)氣體流動(dòng)路徑、壓力參數(shù)以及各執(zhí)行元件的動(dòng)作情況，為氣動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了便捷工具[2]。

1.2 存在問(wèn)題

上述兩個(gè)軟件可以對(duì)氣動(dòng)回路以及PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，但在使用過(guò)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(guò)對(duì)變量的勾選改變端口狀態(tài)來(lái)模擬外部設(shè)備的信號(hào)輸入，這種方式操控性較差并且顯示效果不明顯，而在實(shí)際自動(dòng)化設(shè)備中常存在多個(gè)動(dòng)作快速進(jìn)行切換，通過(guò)操作者手動(dòng)點(diǎn)擊改變變量的方式對(duì)PLC進(jìn)行操控，不能準(zhǔn)確地掌握動(dòng)作時(shí)序，若考慮不周全還會(huì)遺漏實(shí)際工作時(shí)的觸發(fā)動(dòng)作，使仿真結(jié)果的可靠性大大降低。

圖1 PLCSIM操作界面

使用FluidSIM-P軟件對(duì)氣動(dòng)回路進(jìn)行仿真時(shí)，需要對(duì)相應(yīng)的電磁閥進(jìn)行控制，若手動(dòng)控制各個(gè)電磁閥模擬PLC動(dòng)作，將同樣存在操作不方便、時(shí)序不準(zhǔn)確、可靠性低的問(wèn)題。

1.3 解決方案

針對(duì)兩款仿真軟件在仿真中存在的問(wèn)題，提出將兩款軟件聯(lián)合進(jìn)行仿真的方案，使兩款軟件數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，通過(guò)PLCSIM軟件模擬PLC對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，由FluidSIM-P根據(jù)PLCSIM的控制執(zhí)行相應(yīng)的操作，還可將傳感器的信息返回給PLC，從而對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行更加真實(shí)的仿真，可有效避免因操作人員的不當(dāng)操作造成的仿真差錯(cuò)，使仿真結(jié)果更加符合實(shí)際工作情況[3]。

應(yīng)用于過(guò)程控制的對(duì)象鏈接與嵌入技術(shù)，簡(jiǎn)稱OPC(OLE for Process Control)，是工業(yè)控制設(shè)備與控制軟件間的一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)規(guī)范，包括OPC服務(wù)器和OPC客戶端。OPC客戶端與服務(wù)器通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行連接，客戶端將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器或從服務(wù)器下載數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用程序之間的通訊[4]。數(shù)據(jù)交換過(guò)程如圖2所示，將OPC服務(wù)器作為數(shù)據(jù)交換的中間環(huán)節(jié)，則可以將PLCSIM軟件中的數(shù)據(jù)與FluidSIM軟件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)軟件的聯(lián)合仿真。

圖2 數(shù)據(jù)交換示意圖

FluidSIM軟件為我們提供了OPCDDE接口，支持OPC通訊或動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)，可連接到OPC服務(wù)器獲取控制信息，但PLCSIM自身無(wú)法將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絆PC服務(wù)器上，需要借助西門(mén)子官方提供的網(wǎng)絡(luò)連接輔助工具NetToPLCSIM，使用該工具即可將PLCSIM的數(shù)據(jù)發(fā)送到OPC服務(wù)器。OPC服務(wù)器可以使用KEPServerEX軟件進(jìn)行搭建。

2 仿真環(huán)境搭建

本次測(cè)試使用軟件環(huán)境為：Win10 64位操作系統(tǒng)，F(xiàn)luidSIM-P v3.6、STEP7 v5.6、NetToPLCSIM v1.2.1.0及KEPServerEX 6。

設(shè)置方法如下：

(1) 在STEP7軟件中對(duì)PLC組態(tài)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)置，并將PLCSIM仿真組件中的網(wǎng)絡(luò)與PLC組態(tài)網(wǎng)絡(luò)均設(shè)置為T(mén)CP/IP連接，使PLCSIM能夠正常工作。

(2) 在NetToPLCSIM工具中添加PLC站點(diǎn)信息，其中網(wǎng)絡(luò)IP地址選擇計(jì)算機(jī)本地IP地址，PLCSIM IP地址選擇虛擬PLC的IP地址，點(diǎn)擊工具欄中“Get Port 102”連接到以太網(wǎng)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(wù)器，建立通道添加PLC設(shè)備并將通道IP地址及設(shè)備標(biāo)識(shí)ID均填寫(xiě)計(jì)算機(jī)本地IP，并根據(jù)PLC變量地址將需要交換的數(shù)據(jù)信息添加到OPC服務(wù)器中，添加標(biāo)簽后如圖3所示。此時(shí)點(diǎn)擊KEPServerEX軟件上方OPC Quick Client按鈕可以查看當(dāng)前PLC變量與連接狀態(tài)。

圖3 KEPServerEX6界面

(4) 在FluidSIM-P軟件中繪制氣動(dòng)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(wù)器選擇要交換的數(shù)據(jù)。FluidSIM-P軟件中的“FluidSIM In”接口相當(dāng)于PLC輸出端，應(yīng)與執(zhí)行器相連；“FluidSIM Out”接口相當(dāng)于PLC的輸入端，應(yīng)與傳感器或按鍵相連。

(5) 在PLCSIM中開(kāi)始運(yùn)行虛擬PLC對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，F(xiàn)luidSIM-P將根據(jù)控制完成相應(yīng)動(dòng)作，得到聯(lián)合仿真的效果。

3 實(shí)例分析

以自動(dòng)移印機(jī)氣動(dòng)控制系統(tǒng)為例對(duì)聯(lián)合仿真的方法進(jìn)行測(cè)試，仿真測(cè)試界面如圖4所示。經(jīng)過(guò)仿真測(cè)試，PLCSIM能夠?qū)LC端口狀態(tài)上傳到OPC服務(wù)器，F(xiàn)luidSIM-P中的OPC接口可以根據(jù)PLC端口狀態(tài)對(duì)電磁閥進(jìn)行控制，并將行程開(kāi)關(guān)等傳感器信號(hào)正確發(fā)送給PLC。測(cè)試過(guò)程中，根據(jù)氣缸運(yùn)動(dòng)情況可以直觀看出PLC程序存在的問(wèn)題，可準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并根據(jù)現(xiàn)象進(jìn)行修改。氣動(dòng)系統(tǒng)按照PLC編寫(xiě)的程序正常運(yùn)行，氣缸有序動(dòng)作，與預(yù)期效果一致，仿真結(jié)果能夠?qū)φ鎸?shí)工作情況進(jìn)行反映。

圖4 仿真測(cè)試界面

4 結(jié)論

本文介紹了一種PLC氣動(dòng)控制系統(tǒng)的仿真方法，并通過(guò)實(shí)例測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的可行性。該方法通過(guò)使用KEPServerEX軟件搭建OPC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)PLC仿真軟件與FluidSIM-P氣動(dòng)仿真軟件的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)了PLC控制系統(tǒng)與氣動(dòng)回路的聯(lián)合仿真，能夠更加直觀清晰地反映出PLC對(duì)氣動(dòng)回路的控制效果，相比較兩個(gè)系統(tǒng)單獨(dú)調(diào)試提高了設(shè)計(jì)效率，使仿真結(jié)果更加符合真實(shí)使用情況，確保了仿真結(jié)果的可靠性。該仿真方法可為氣動(dòng)設(shè)備開(kāi)發(fā)人員提供一種經(jīng)濟(jì)高效的開(kāi)發(fā)途徑，具有一定的參考價(jià)值。