使用IEC 61131-3模拟编程语言

模拟，或不模仿：这是问题。TIS NoBler（或至少更有效）花时间创建模拟模型并在部署之前测试设计，或者在部署期间花时间测试设计？

虽然我不能为莎士比亚说话，但我可以在我近40年的职业生涯中说“TIS”始终在部署之前完善设计。我已成功应用于包括许多不同类型的工业控制（IC）系统，电子印刷电路板（PCB）设计，以及现场可编程门阵列（FPGA）设计的应用程序。

模拟的五个回报

因为:

1. 洞察仿真模型提供了在实际的工厂或设备中无法测量或观察到的东西
2. 能够确定备选方法的优点，并选择总体成本最低或总体性能最好的方法
3. 测试紧急情况和不寻常情况的能力，这是不可能或危险的真正的设备
4. 对设计的高度信心，这提供了相应的信心，即在调试期间遇到的任何问题都必须在工厂或设备中。
5. 能够与植物或设备的建造平行完善控制（并避免来自焦虑项目经理的不可避免的压力正在寻找那些居住在临界道路结束时的临界路径，以便在项目早期延迟）。

这种投资回报（ROI）与现代开发和仿真环境变得更大，包括面向对象的工业编程（OOIP）技术，以加速开发，以及加速时间到洞中的高级调试功能。

先前发布的文章介绍了OoIP技术．

强大的模拟元素

一个好的IC仿真环境的特点看起来与一个好的IC开发环境非常相似:

• 多功能和强大的编程语言
• 全功能语言编辑
• 全套调试工具包括代码和数据断点;单步，进一步，退出等;实时模式（显示瞬时变量值，而不仅仅是循环值的结束）;写和力变量并移动执行点;和虚拟数字示波器在控制器周期时间上的样本
• 内置人机界面（HMI）用于创建测试控制面板
• 完整的控制器运行时，它将作为开发计算机的服务运行
• 支持OoIP。

在这样的环境中创建模拟代码和创建原始代码一样简单，它可以作为基于软件的可编程逻辑控制器（PLC）运行，这是具有工业控制器OEM在其硬件上部署的相同的全功能运行时。此运行时已安装为独立于开发环境的Microsoft Windows服务。在集成开发环境（IDE）中创建和编译的控制代码，并以与PLC或分布式控制系统（DCS）相同的方式部署到此运行时。

示例反应堆罐

考虑一个简单的反应器储罐的例子，它带有一个变速出口泵，以使流体保持在预设的水平(不管进口流量如何)。这些概念可以外推到更大的系统和其他行业。

第一步是设计控制系统。使用OOIP技术，从工厂对象库实例化4个对象:储罐液位的模拟输入，设定值的减法，用于控制的比例-积分-微分(PID)环路，以及用于泵电机的变频驱动器(VFD)，如图1所示。

图2：工厂模拟器可以在CodeSys CFC（Plant_sim）中实现。礼貌:ControlSphere LLC(/标题)

同样，每个对象封装了执行对象功能所需的所有功能。例如，储罐集成了输入流和输出流之间的差异，并将集成限制为储罐满或空，如图3所示。坦克模型是一个例子，它是如何简单的建立仿真对象，并通过扩展的简单添加仿真到工作流。

在这个例子中，控制和仿真程序中的配置输入和I/O映射是硬编码的。在更大的OOIP设计中，这将从中央SQL服务器或CSV文件配置，以便重用设计。

注意模拟器输入映射到控制输出，并将模拟器输出映射到控制输入。使用相同的全路径名称（即control.outletpump.speed_fo）以相同的方式映射物理I / O.

虚拟testbench

下一步是创建测试台。就像名称被创造的物理工作台一样，虚拟测试台提供了系统所需的所有输入，包括：上游进程输入，操作员输入和配置输入。这些过程输入可以从HMI屏幕生成用于手动测试或从程序进行自动测试的程序。

同样，可以为自动测试编程地生成HMI输入，或者可以从实际的HMI屏幕生成（在这种情况下，仿真系统可以作为工厂操作员培训工具增加。该示例以顺序函数图（SFC）程序以编程方式生成刺激，该程序首先执行步进响应，然后是稳定状态，如图4所示。该SFC还提供了执行Bode循环分析以查找杆的选项和控制回路的零。

图5:创建任务列表是模拟项目的一部分。礼貌:ControlSphere LLC(/标题)

最后一步是在内置软件的PLC上下载并运行程序。

就像在物理测试台一样，使用各种测量设备来验证系统的正确操作。一个这样的虚拟仪器是一个Bode循环分析仪，其测量控制回路的极点和零以及增益和相位余量。该仪器插入环中，如图8所示。

这可用于在模拟期间测试各种控制方案，并在实际工厂或工厂中验证和调整控制环路。该分析的结果显示了1.0Hz的交叉频率和82度的相位裕度，如图6所示。

图7:Codesys Trace中显示了稳态和动态响应。礼貌:ControlSphere LLC(/标题)

If this first order control loop performance did not meet the system requirements, it’s possible to enhance the PID with a pole at 0.0 Hz and a zero at 1.0 Hz to improve the accuracy at the cost of stability (which requires mitigation) as shown in Figure 8. This second order system now provides much higher loop gain and a phase margin of 37 degrees as shown in Figure 9; and delivers a much better steady-state dynamic response shown in Figure 10.

过程，批量，离散

除了连续过程，这些技术还可以应用于批处理和离散过程，以及移动、嵌入式或任何其他工业自动化。已经为输送机，装瓶机，干原料螺旋机，管道和阀门系统，以及许多其他应用创建了仿真模型。几乎所有的工业过程都可以被充分地建模以进行模拟。

图10：二阶控制回路稳态和动态响应可以提供更高的循环增益。礼貌:ControlSphere LLC(/标题)

这些技术几乎可以应用于任何工业应用程序，并可扩展到任何大小或复杂性的系统。

正如莎士比亚所说:“做大好事也要做小错事。”他会同意使用模拟来实现这一目标。

Gary L. Pratt.，p.e.，是总统ControlSphere LLC.．由内容经理马克·t·霍斯克编辑，控制工程，CFE媒体，mhoske@cfemedia.com.．

更多答案

关键词：仿真，控制编程

创建模拟通过使用控制编程可以节省时间。

大多数工业过程可以模拟。

编程和流程可以在设计阶段进行测试。

考虑一下这个

多少时间可以通过使用模拟优化设计前面的流程来保存？

在线额外

关于作者的更多信息:普拉特的职业生涯于1982年开始与雪佛龙企业工程公司，包括整个工业控制行业的众多职位。他通过IEC 61131-3编程语言和CODESYS综合开发环境（IDE）通过咨询和培训课程，持有工业控制的专利，并专注于共享知识和经验，并通过咨询和培训课程进行下一代。

请参阅本文的第1部分面向对象的工业编程．

用于本文中的示例的代码IDE可以是下载免费．下载包括完整的基于软件的PLC，它将在重置之间运行2小时。

对于OoIP，仿真和配置对象的视频演示，看到这个视频：

也可以从控制工程在这一点波德环分析技术．