Интеграция среды моделирования Simulink и аппаратного обеспечения систем управления на примере контроллера Siemens S7-200

Р.А. Бухаров

ИНТЕГРАЦИЯ СРЕДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ SIMULINK И АППАРАТНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ НА ПРИМЕРЕ КОНТРОЛЛЕРА SIEMENS S7-200

Показан способ взаимодействия аппаратных средств систем управления на примере контроллера Siemens S7-200 с программным комплексом Matlab. В основе описанного метода лежит технология OPC и компоненты пакета Simulink, поддерживающие работу с данной технологией.

Ключевые слова: магистральный ленточный конвейер, автоматическая система стабилизации скорости ленты конвейера, OPC, OPC toolbox, моделирование в Simulink..

~П процессе моделирования систем управления неизбежно

-И-М возникают ситуации, когда приходится пренебрегать какими-либо зачастую важными параметрами реального объекта, строить модели, не в полной мере соответствующие и не полностью описывающие объект моделирования. Обычно это вынужденные меры, на которые приходится идти по причине несовершенства технологий моделирования, сложности модели, временных ограничений и других факторов.

Одним из способов частичного либо полного устранения подобных недостатков моделирования может быть внесение в модель каких-либо реальных устройств - датчиков, исполнительных механизмов, программируемых контроллеров, интеллектуальных модулей и. т. д.

Г лавная проблема, которая при этом возникает - это обеспечение передачи данных между средой моделирования и физическими объектами. Элементы системы управления (датчики, контроллеры, модули и т. д.) могу работать по разным протоколам передачи данных, которые могут не поддерживаться средой моделирования. Соответственно, при этом возникает проблема интеграции аппаратных средств систем управления со средой моделирования, решению которой посвящена данная работа. Однако рассматриваемая здесь технология не является универсальной в общем смысле и в

некоторых случаях может оказаться непригодной для использования.

Цели

Обеспечить корректную передачу данных в реальном времени между средой моделирования Simulink и контроллером Siemens S7-200 посредством ОРС-сервера для обеспечения функций регулирования в рамках моделирования системы управления скоростью движения ленты шахтного конвейера.

Общие положения

Описываемый метод разрабатывался в рамках диссертационной работы для моделирования управления скоростью движения ленты шахтного конвейера. Общая схема модели, для которой разрабатывается метод интеграции контроллера и среды моделирования, показана на рис. 1.

ОРС-сервер является основным компонентом, обеспечивающим передачу данных между средой моделирования, контроллером и внешними программами. Любой сигнал модели может быть передан на сервер и, соответственно, может быть передан в контроллер или в любое приложение, поддерживающее стандарт ОРС.

Согласно схеме, необходимо осуществить передачу данных между моделью конвейера в Simulink и контроллером Siemens S7-200 посредством ОРС-сервера. Для обеспечения работы пакета Simulink с ОРС используется компонент ОРС Тоо1Вох. Для Обеспечения связи контроллера с ОРС-сервером необходимы драйверы, разработанные для конкретного устройства.

Средства визуализации ОРС Server MatLab

ТгасеМос1е и др. Конфигурирование мнемосхем, таблиц, ОРС Data Access эШЬС Обеспечение ОРС Data Access іі ОРС Toolbox Simulink

<3 интерфейса между <а —1 ÜÜbCaHHblx между

трендов компонентами системы с *7 ' ОРС-сервером и 1 приложениями MatLab я модель

ТІ!

Step7 MicroWin

Программирование

алгоритмов управления

Рис. 1. Общая структурная схема системы

В работе использовалось ПО от Kepware products, в составе дистрибутива которого имеется как серверное приложение, так и клиентское, а также набор драйверов для распространенных устройств.

Настройка OPC-сервера для работы с определенным контроллером отличается рядом особенностей. Сервер поддерживает множество различных устройств, а также одновременную работу с ними. Поэтому конфигурирование логически разделено на несколько этапов:

1. Настройка канала передачи данных. Канал может содержать несколько устройств одной архитектуры и поддерживать одновременную работу с ними. При настройке канала выбирается драйвер устройства и настраивается интерфейс (в данном случае применялся протокол PPI и в качестве интерфейса связи использовался COM-порт).

2. Добавление устройства. На этом этапе указывается тип устройства, поддерживаемого выбранным драйвером и его уникальный идентификатор в пределах канала.

3. Добавление необходимого количества OPC-тегов определенных типов. Связь тэга с определенной переменной контроллера осуществляется путем указания адреса переменной в памяти контроллера при создании тэга. Количество тэгов и их привязка к переменным зависят от загруженной в контроллер программы.

Среда моделирования Simulink в составе комплекса прикладных программ Matlab v. 7.9.0 и выше имеет встроенные средства работы с OPC-сервером - OPC Toolbox (данный компонент может отсутствовать в 64-битной версии продукта). Для обеспечения работы модели с OPC в нее необходимо добавить объекты OPC Configuration, OPC Read и OPC Write. Эти объекты находятся в разделе OPC Toolbox среды Simulink.

Объект OPC Configuration служит для конфигурирования связи с OPC-сервером. Поддерживаются как локальные серверы, так и серверы, находящиеся в сети. Поддерживается одновременная работа с несколькими серверами.

Объект OPC Read служит для чтения значения указанного тэга сервера. Данный объект имеет три выхода - V, Q и T. На выход V (value) поступает непосредственно значение, на выход Q (quality) -его показатель качества, на выход T (timestamp) - время последнего обновления тэга.

Объект OPC Write содержит один вход и служит для записи значения, поступающего на этот вход, в указанные тэги сервера. Поддерживается одновременная запись в несколько тэгов.

Чтение и запись происходят с периодом, равным шагу моделирования. При работе модели с OPC-сервером моделирование происходит в реальном времени.

Настройка работы модели с конкретным OPC-сервером осуществляется посредством блока OPC Configuration. OPC ToolBox поддерживает работу одновременно с несколькими серверами, развернутыми как на локальном компьютере, так и в сети.

Блоки OPC Read и OPC Write служат для указания тэгов, из которых будут читаться данные, и в которые будут записываться данные соответственно.

В решаемой задаче управления скоростью движения ленты конвейера контроллер выступает в качестве регулятора. Непосредственно в контроллере реализован ПИД-алгоритм, который берет необходимые значения возмущающего воздействия и сигнала обратной связи из определенных тэгов OPC-сервера. Информация в эти тэги пишется соответствующими блоками OPC Write модели. На основе этих сигналов контроллер формирует управляющее воздействие, записываемое в тэг сервера, откуда его считывает модель посредством блока OPC Read.

Необходимо также учитывать, что контроллер оперирует с нормализованными (0-1) значениями, базируясь на шкале от 0 до 32000. Если прочитанное значение лежит в другой шкале, его необходимо пересчитать к нормализованному значению. Соответственно, полученные от контроллера данные также представлены нормализованными значениями, и их нужно пересчитать к нормальным значениям.

Если x - реальное значение величины, то в общем случае нормализованное значение y будет вычисляться по формуле:

y = (Х - Amin Xgmax - Bmin ) , в

(A - A ) min

max min

где Amin и Amax - диапазоны шкалы реального значения, ßmin и B -

диапазоны шкалы нормализованного значения. В модели используется нормализация значений к диапазону от 0 до 1,

Вт ах

Рис. 2. Схема нормализации параметров

при необходимости с преобразованием в шкалу с диапазоном значений от 0 до 32000.

Simulink модель нормализации параметров показана на рис. 2.

Выводы

В данной работе рассмотрен один из методов интеграции аппаратного обеспечения систем управления и среды моделирования Simulink. Основными достоинствами метода являются:

• Использование технологии, основанной на мировых стандартах.

• Использование готовых компонентов: объектов Simulink, драйверов оборудования.

• Отсутствие необходимости разработки какого-либо программного обеспечения.

• Относительная легкость развертывания.

• Поддержка работы в реальном времени.

Одним из недостатков метода является необходимость норма-лизовывать значения величин, так как контроллер работает с величинами в пределах определенной шкалы значений. Для этого в модели нужно реализовывать специальные блоки пересчета по опре-

деленному алгоритму, что делает модель сложнее и замедляет процесс моделирования.

Реализация описанного метода позволит разрабатывать модели, наиболее приближенные к реальным объектам, алгоритмы управления этих моделей можно будет достаточно легко портиро-вать с минимумом изменений на реальные объекты.

В перспективе этот метод позволяет проводить научные исследования в области теории управления и автоматизации, используя данные реальных объектов и технологических процессов, не вмешиваясь в ход самого технологического процесса. При этом единственное необходимое требование - поддержка технологии OPC системой управления исследуемым объектом.

------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дмитриева В.В. «Разработка и исследование системы автоматической стабилизации погонной нагрузки магистрального конвейера». 2006г.

2. Документация по SIMATIC, Siemens 2005

3. Парк Дж., Маккей С. «Сбор данных в системах контроля и управления. Практическое руководство». 2007

4. Официальный сайт организации OPC Foundation. http:// www.opcfoundation.org/

5. «Стандарт OPC - путь к интеграции разнородных систем». А. Григорьев. 2008

6. Руководство пользователя ИСБ Интеллект. ITV group / AxxonSoft. 2007.

[ДШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ ---------------------------------------------

Бухаров Роман Алексеевич - студент, магистр кафедры автоматики и управления в технических системах, roman.buharov@gmail.com Московский государственный горный университет,

Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru