CC BY
38
© P.A. Бухаров, 2014
УДК 519.85:681.3 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.
В процессе моделирования систем управления неизбежно 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.
Главная 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 моделирова-
ния. 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 OPC-сервера для обеспечения функций регулирования в рамках моделирования системы управления скоростью движения ленты шахтного конвейера.
Обшие 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.
** Simulink
Исследуема я модель
Рис. 1. Общая структурная схема системы
OPC-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 OPC.
Согласно схеме, необходимо осуществить передачу данных между моделью конвейера в Simulink и контроллером Siemens S7-200 посредством OPC-сервера. Для обеспечения работы пакета Simulink с OPC используется компонент OPC ToolBox. Для Обеспечения связи контроллера с OPC-сервером необходимы драйверы, разработанные для конкретного устройства.
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 конфи-
гурирование 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 выхо да — 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 тэ-
гов 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 = (X - Amin)(Bmax - Bmin ) + £ (Amax - Aran)
где Amin и Amax — диапазоны шкалы реального значения, Bmin и B — диапазоны шкалы нормализованного значения. В модели используется нормализация значений к диапазону от 0 до 1, 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 нормали-зовывать значения величин, так как контроллер работает с величинами в пределах определенной шкалы
значений. Для этого в модели нужно реализовы-вать специальные блоки пересчета по определенному 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 до статочно 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 ОРС системой управления исследуемым объектом.
1. Дмитриева В. В. «Разработка и исследование системы автоматической стабилизации погонной нагрузки магистрального конвейера». 2006 г.
2. Документация по SIMATIC, Siemens 2005.
3. Парк Дж., Маккей С. «Сбор данных в системах контроля и управления. Практическое руководство». 2007.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Официальный сайт организации OPC Foundation. http://www.opcfounda tion.org/
5. «Стандарт OPC - путь к интегра ции разнородных систем». А. Григорьев. 2008.
6. Руководство пользователя ИСБ Интеллект. ITV group / AxxonSoft. 2007. ШИЛ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Бухаров Роман Алексеевич - магистр кафедры автоматики и управления в технических системах, roman.buharov@gmail.com, Московский государственный горный университет.
UDC 519.85:681.3
SIMULINK SIMULATION ENVIRONMENT AND CONTROL HARDWARE INTEGRATION IN TERMS OF SIEMENS S7-200 CONTROLLER
Bukharov R.A., Master, Chair of Automation and Control in Engineering Systems, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
In terms of Siemens S7-200 controller, the article illustrates interaction of the control hardware and Mat-lab bundled software, based on the OPC technology and the supporting Simulink package.
The described method of the controller and simulation environment integration has been developed for modeling mine belt conveyor speed control.
The study used Kepware software product with its distributive kit providing server-side application, client application and set of drivers for distributed devices.
In the long view, the method will enable research work in the field of the automation and control theory, using actual data on objects and process flows, with no interference in the process flows. The only requirement is the consistency and mutual support of the OPC technology and the control hardware.
Key words: main belt conveyor, automated belt conveyor speed stabilization, OPC, OPC Toolbox, Simu-link modeling.
REFERENCES
1. Dmitrieva V.V., 2006. Creation and Analysis of Automated Belt Conveyor Unit Load Stabilization.
2. SIMATIC documentation, Siemens, 2005.
3. Park J., Mackay S., Wright E., 2003. Practical Data Acquisition for Instrumentation and Control Systems. Newnes.
4. OPC Foundation, http://www.opcfoundation.org.
5. Grigoriev A., 2008. OPC Standard is the Way of Integrating Heterogeneous Systems.
6. Intellect Integrated Safety System User's Manual. ITV group / AxxonSoft. 2007.
A
ГОРНАЯ КНИГА -
Уголь мира. Том III. Уголь Евразии
Б.М. Воробьев 2013 г., 752 с. ISBN: 978-5-98672-348-8 UDK: 622.33
Настоящее издание — III том монографического сериала «Уголь мира». Освещаются основные аспекты состояния и развития угледобычи и углепотребления в страновом разрезе в Европе и Азии. Специальная часть посвящена угольной промышленности России. Описывается ресурсная база угольной промышленности отдельных стран, бассейнов и месторождений. Рассматривается международная торговля углем и особенно экспортно-импортной активность отдельных стран Евразии на мировом рынке угля. Показаны динамика потребления угля и области его использования.
Для широкого круга научных и практических работников, студентов, слушателей и аспирантов, интересующихся проблемами угольной промышленности и углеэнергетики.
