基于Factory IO 與S7-PLCSIM Advanced 的液位PID 控制工業仿真系統設計

詹澤海,孫郭鋒

（1.深圳職業技術大學機電工程學院，深圳 518055；2.中海油安全技術服務有限公司深圳分公司，深圳 518056）

0 引言

仿真技術目前已經被廣泛地應用到工業的各個環節，對企業提高開發效率，加強數據采集、分析、處理能力，減少決策失誤，降低企業風險起到了重要的作用。工業仿真技術的引入，使工業設計的手段和思想發生質的飛躍。在教學中，應用數字孿生技術半實物仿真的形式，一方面學?？梢越鉀Q大型設備的安全性問題，降低成本，提升調試效率；另一方面師生也可以自己搭建仿真環境進行編程調試完成學習[1]。采用仿真技術開展教學，大大提高了學生學習的積極性和主動性，配以理論和實際相結合，使得教學效率得到大大提高[2-3]。文中介紹一種基于工業自動化仿真軟件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）的工業仿真系統設計及調試方法。

1 Factory IO 仿真場景

Factory IO 是由葡萄牙波爾圖大學和法國蘭斯大學聯合開發并由 “Real Games” 公司出品的一款PLC 交互式教學軟件，它包含了工業系統搭建、PLC編程、PLC 控制系統調試等技能訓練。它充當一個實時自動化沙盒，具有高品質的圖像和音效，可運用最常見的自動化控制技術，構建工業仿真系統，同時它使用一種創新技術，允許用戶通過拖拽的方式簡單快捷地創建3D 工業系統。Factory IO 構建的任何系統都可由外接技術、軟件和硬件實時控制[4-5]，在工業自動化、機電一體化、電氣工程、機械工程和儀器儀表等專業的課程教學中具有較高的應用價值。

1.1 液位工作站仿真場景創建

使用Factory IO 創建液位工作站模型，模型場景包含以下元器件和設施：一個高度為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。

鼠標右鍵單擊工作站模型，在“配置”選項里把工作站模型勾選為“Analog”工作模式，這樣場景里的兩個傳感器才能使用。此時，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 的模擬量信號來調節閥門開度。

液位工作站仿真場景如圖1 所示。為了方便調試，可以單擊在“視圖”菜單下的“添加所有標簽至任務欄”命令，這樣就可以把場景里所有可用的標簽顯示出來，調試初期，可通過標簽任務欄的“強制”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

通過驅動菜單，選擇要與Factory IO連接的PLC類型為S7-1500，并把需要用到的標簽與虛擬PLC的IO 端口逐一做好關聯，單擊驅動窗口右上角的“配置”，設置好Factory IO 與S7-PLCSIM Advanced連接參數，返回驅動窗口，單擊“連接”，當S7-PLCSIM Advanced 已運行并與Factory IO 的網址同在一個網段，正常連接后在驅動窗口上有一個綠色“√”出現，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

1.3 場景IO 分配表

當Factory IO 與S7-PLCSIM Advanced 建立起正常連接，點擊Factory IO 驅動窗口右下角的箭頭符號，把當前場景下的所有標簽導出到指定位置，所導出符號表將在PLC 編程時使用。如圖3 所示。

圖3 標簽導出

2 控制系統的組成與設計

2.1 控制系統組成

液位PID 控制系統主要由S7-1500PLC、人機界面（Human Machine Interface，HMI）和Factory IO 液位工作站的各種執行元件組成，如圖4 所示。S7-1500 PLC 為系統控制器，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可執行元件進行人機交互。

圖4 液位PID 控制系統組成框圖

2.2 基于TIAPortal 的程序設計

2.2.1 創建一個S7-1500 項目并導入符號表

通過TIAPortal 創建一個S7-1500 工作站，新建一個PLC 變量表，如圖5 所示，并在變量表里導入Factory IO 標簽文件。

圖5 PLC 變量表

2.2.2 S7-1500 程序設計

本系統程序設計主要由兩大部分組成。一是設計一個用于計算并轉換模擬量信號的程序塊[FB1]，由Main [OB1] 調用執行；二是在Cyclic interrupt[OB30]里處理的PID 運算，如圖6 所示

圖6 PLC 程序結構圖

通過“模擬量數據轉換[FB1]”的程序代碼用來實現壓力傳感器信號與PID 數據的換算，把傳感器0～10V 的信號換算成對應的0～300cm 水位，結果作為PID 系統的反饋輸入；把PID 運算后的輸出換算成閥門對應的0～10V 控制信號[6]，如圖7 所示。

圖7 [FB1]程序設計

“模擬量數據轉換_DB[DB2]”為模擬量數據轉換[FB1]的背景數據塊，可以存儲計算過程中的所有數據，也是HMI 與PLC 進行數據交互的地方之一，背景數據塊里給液位設定值及排水閥開度都設了初值，每次運行系統時都按這個初值進行工作，如圖8 所示。

圖8 [FB1]背景數據塊

循環中斷組織塊[OB30]里直接調用PID 控制工藝通用控制器指令，如圖9 所示。

圖9 [OB30]程序設計

塊的使能端接入一個布爾信號，信號指向為Factory IO 的“FACTORYI/O（Running）”。當Factory IO 運行時，此信號接通，PID 控制生效開始工作，另外，PID 控制器設定值、傳感器反饋值、PID 輸出值均指向“模擬量數據轉換_DB[DB2]”里對應的存儲地址。

PID 工藝組態時把控制器類型設為“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，其它參數均為默認。

3 觸摸屏組態

系統調試需要用到一個人機交互界面，項目選用西門子精簡系列面板，畫面組態如圖10 所示。畫面主要由一個趨勢視圖、一個棒圖及若干IO 域組成，所關聯數據均出自 “模擬量數據轉換_DB[DB2]”。通過趨勢視圖可以直觀地看到PID 控制時設定值、反饋值及PID 輸出的實時曲線變化規律，通過棒圖可以與Factory IO 畫面的模型形成實時的對比，掌握液位控制的準確度，IO 域用于顯示或設置PID 控制器的各個參數，便于對系統進行必要的控制。

圖10 HMI 畫面組態

4 Factory IO 與S7-PLCSIM Advanced 聯合仿真

使用S7-PLCSIM Advanced 進行PLC 仿真時，必須在TIAPortal 項目里啟用兩個設置，具體如下。

（1）項目樹視圖里，鼠標右鍵單擊PLC 項目，選擇“屬性”菜單，在打開的屬性窗口“常規”選項卡中，啟用防護與安全—連接機制下的“允許來自遠程對象的Put/Get 通信訪問”命令，如圖11 所示。

圖11 啟用防護與安全

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

圖12 塊編譯時支持仿真

設置完成后把所有項目程序下載到S7-PLCSIM Advanced，與Factory IO 聯合仿真調試。調試時可以借助TIAPortal 里的工藝調試功能進行PID 參數自整定[7-9]，這里必須確保PID 工藝指令是在循環中斷組織塊[OB30]里執行，否則將無法進行參數自整定，如圖13 所示。

圖13 PID 工藝調試

把自整定結果重新下載到S7-PLCSIM Advanced，然后就可以通過HMI 畫面對Factory IO 場景下的工作站模型進行液位PID 仿真控制，通過HMI 畫面可以在0-300cm 范圍內任意設置液位，同時可以通過IO 域查看實時液位反饋值與兩個調節閥的開度，也可以通過趨勢圖來觀測PID 控制曲線，如圖14 所示。如果覺得控制效果不理想，還可以通過對應的IO 域進行PID 參數修改。

圖14 Factory IO 液位PID 控制仿真運行

5 結束語

實驗結果顯示，通過適當調整PID 參數，可以使得PID 控制仿真系統的穩定性、準確性、響應速度和動態性能等指標都與實際情況接近?？梢钥闯?，基于Factory IO 與S7-PLCSIM Advanced 的液位PID 控制工業仿真近乎完美地還原了真實控制環境，不但提升調試效率，還可以大大提高學生學習的積極性、主動性和趣味性，這種工業仿真具有良好的教學效果和推廣價值。