半实物网络控制系统仿真平台设计

收 稿 日期 ：２ １ ０ ０ １— ７—１ ４ 基金 项 目：本文受 国家 自然科 学基金 （ ０ ６０ ３） 自动化 国家特 色专 ６ ９４ ０ 和 业 （ Ｓ２ １ ） 助 。 Ｔ １５ ７ 资
作为通信信道 ， ４— ０ｍ 将 ２ Ａ的液位检测 信号线 连接至 Ｐ Ｃ的 电 Ｌ
流模拟量输人 端子 通道 ３上 ， 以电压模 拟 量输 出端 子通 道 ２的 ０—１ 的电压 信号来 驱动水 泵直流电机。 ０ｖ 超声波液位传感器 （ Ｉ １２ 测得 的液位为 ４～ ０ｍ ＬＣ ０ ） ２ Ａ的电流
ｕ ｉｗ ｉ ｅｉ ｅ ｙＧ ｒ ｎ Ｅ Ｔ ｏ ｐ ｎ ｓ ｎｉ ｏｔ ｌ ｄｏｊｃ ａｄｃｍ ｕ Ａ ｓ ｏ ｕ ｉ ｔ ｎ ｅ ｉ， ｉ ｅ ｓ ｎｔ ｈｃ ｉｄ ｓ ｎ ｄｂ ｅｍａｙＦ Ｓ Ｏ ｃｍ ａｙａ ｔｙｃｎｒ ｌ ｂｅｔ ｎ ａ ｐ ｓ Ｎａ ｍｍ ｎｃ ｉ ｓ ｄａ Ｓｅ ｎ ｈｓ ｇ ｅ ｔ ｏｅ Ｌ ｃ ａｏ ｍ ｍ
＝ 机技术及 其应 用 十 算
￣ Ｄ ｔｒ ｅ ｈ ｏｏ￣ ｕｏ ｏ ｎ ｌ ｖ＆ Ａｏ ｆａｉｒ Ｔ ＤＩ ｔ ｃ ｏ
ｔ ｒ ｂ ｋ Ｏ Ｃｗ ｉ ｌ ， Ｐ ｏ＇ ａｏ ｄ ａ ｏ ｔ ｃ ａｕ ｔ ｎ三个模 块拖 至新 的 ￣ ２ ８ ７ ４ 。通过取数值建立方程求解， ６ 来建立正确的线性对应关 ｅ ｌｃ ， Ｐ ｒｅｂｏｋ Ｏ Ｃ Ｃ ｒ ｇｒ ｉ 系， 这样 液位的值为 ：
摘
７ ０５ ；．甘 肃省 － ￣ 过程先进控制重点实验室 ， ３０ ０ ２ ｒ１ １ ， 甘肃 兰州 ７ ０ ５ ） ３０ ０
要 ：网络控制系统 （ Ｃ ） Ｎ Ｓ 是一种新型计算机控制系统 ， 通过工业 网络实现控制单 元之 间的数 据交换 ， 但这也 给控制系统 带来 了时
延等问题 。采用德 国费斯托过程控制装置 中的液位控制单元为实物被控对象 ， 以校园局域网为通信介质 ， 于 Ｏ Ｃ协议 ， 基 Ｐ 以西 门子 ｓ ３０Ｐ Ｃ作为 Ｏ Ｃ服务器 ， ＭＡ Ｌ Ｂ作为 Ｏ Ｃ客户端 ， ７— ０ Ｌ Ｐ 将 ＴＡ Ｐ 最终开发 出一种基于 Ｏ Ｃ技术 的实体对 象与 ＭＡ Ｌ Ｂ结 Ｐ ＴＡ
ｅ ｐ ｒ ｎ ｎ ｉ ｎ ｎ ｏ ｅ ｓｕ ｙ ａ ｄ ｖ ｉ ａｉ ｎ ｏ ｅ ａ ｖ ｎ ｅ ｏ ｔ ｌ ｎ ｇ ｒ ｈ ． ｘ ｅｉ ｍｅ ｔｅ ｖｒ ｍｅ ｔ ｒｔ ｔ ｄ ｎ ａ ｄ ｔ ｆｔ ｄ ａ ｃ ｄ ｃ ｎ ｒ ｌ ｇ ａ ｏｉ ｍｓ ｏ ｆ ｈ ｌ ｏ ｈ ｏｉ ｌ ｔ
．
图 ４ 半实物仿真平 台
ＳＭ ＴＣＮ Ｔ工业以太网软件包括 Ｓ Ａ Ｉ Ｅ ６０和 ｏ ｃ Ｉ Ａ Ｉ Ｅ Ｉ ＴＣＮ ＴＶ ． Ｍ Ｐ
（ Ｌ ｒＰｏｅｓ ｏ ｔ １ ， Ｏ Ｅｆ ｒｃｓ Ｃ ｎｒ ） 并且 支持对 ＳＭＡ Ｉ ｏ ｏ Ｉ ＴＣ通信 网络 的通 信
协议如 Ｐ Ｏ Ｉ Ｕ Ｒ ＦＢ Ｓ和 以太 网进 行访 问 ， 在本 系统 中选 择 Ｏ Ｃ服 Ｐ 务器对 以太 网的 访 问 ， Ｐ Ｏ Ｃ服 务 器 随 ＳＭＥ Ｉ Ｅ Ｉ ＴＣ Ｎ Ｔ软 件 光 盘
ｗｉ ａ ｈ ｏｈ ｒ ｔ ｅ ｃ ｔ ｅ ，ｗｈ ｃ ｅ ｄ ｅ ｒ ｂ ｅ ｏ ｃ ｎ ｒｌｓ ｓｅ ｕ ｈ ａ ｉ ｅ ａ ｎ ｃ ｅ ｕ ｉ ｇ Ｂ ｓ ｄ ｏ ＣＳ ｗａｅ ｅ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌ ｈ ｉｈ ｌａ ｓｎ ｗ ｐ ｏ ｌ ｍｓ ｔ ｏ ｔｏ ｙ ｔｍｓ ｓ ｃ ｓｔ ｍｅ ｄ ｌｙ ａ ｄ ｓ ｈ ｄ ｌ ． ａ ｅ ｎ Ｐ ｔｒｌ ｖ ｌ ｏ ｔｏ ｎ
Ｂ ０ ， 保 持 水 １１ 为
箱 Ｂ０ １２的 水 位 在 设 定 值 ， 箱 水 图 １ 液位控制示意 图
Ｂ０ １２上方 的超声波液位传感器测得水箱 Ｂ ０ １２水位 ， 并将 水位信 号传到控制器 。
技术建立 了 Ｍ Ｔ Ａ ／ ｉ ｕｉｋ半 实物 网络控 制仿 真 平 台 ， Ａ Ｌ Ｂ Ｓｍ ｌ ｎ 以校
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｍｕａ ｉｎ Ｐｌｔ ｒ ｏ ｍｉ ｈ ｓｃ ｌ ｔ ｒ ｅ ｎ ｒ ｌ ｓｅ ｓｇ ｆａ Ｓｉ ｌｔ ａ ｆ ｍ ｆＳｅ － ｙ ｉａ ｏ Ｏ ｐ Ｎｅ ｗｏ ｋ ｄ Ｃｏ ｔ ｏ Ｓｙ ｔ ｍ
ＬＩＥｒｃ ａ 一 ＬＩＷ ｅ ， ＬＩＺｈ ｎ． ｎ 一 ＸＩ Ｍｅ ．ｉ － ｈ ｏ ．， ｉ ａ ｍｉ ｇ ．， Ｅ ｉ１ｎ ，
园局域 网为通信介质 ， 模拟远 程 网络控制 系统 ， 以实 际 的液位 控
１ １ 系统构 ຫໍສະໝຸດ Baidu ．
原系统液位控制单元 采用现 场总线 为通信介 质进 行数 据交 换 ， 能满足网络控制系统 的实验要 求 ， 以对 系统进 行 了二 次 不 所
开发。将西门子 ｓ ７—３０Ｐ Ｃ通过以太网模块接人到局 域网 中 ， ０ Ｌ
器 ， 节 器 为 电 调
机调速 器 。水 泵 将水 箱 Ｂ０ １ １里
的 蒸 馏 水 送 到 Ｂ ０ ， 箱 Ｂ ０ １２ 水 １２
的水 在重 力作 用 下 流 到 水 箱
近年来 ， 于 ＭＡ Ｌ Ｂ Ｓｍ ｌ ｋ的半 实物 仿真平 台非 常多 ， 基 Ｔ Ａ ／ ｉｕｉ ｎ 但是 在 ＭＡ Ｌ Ｂ Ｓｍ ｌ ｋ平 台上搭 建 半实 物仿 真 系统 ， Ｔ Ａ ／ ｉ ｕｉ ｎ 其关 键
ｅｐｒ ｅｔ ｙｔ ａｅ ｎｔｅｈ ｌｅ ｔｙｗ ｉ ｏ ｂｎ ｓＯ Ｃ ｔｃｎｌ ｙｏ ｎｉ ｂｅｔ ｎ Ｔ Ａ ｏｐｏｉｅａｓｕｄ ｘｅ ｍ ｎ ｓｓ ｍ ｉ ｂ ｓｄｏ ａ ｎ ｔ ｈｃ ｃｍ ｉｅ Ｐ ｅｈ ｏｏ ｆ ｔｙｏｊｃ ａ ｄＭＡ Ｌ Ｂ ｔ ｒｖｄ ｏｎ ｉ ｌ ａ ｅ ｓ ｈ ｆ ｉ ｈ ｇ ｅ ｔ
￣
ｒｔ ｗｉ ｌｃ 其中， Ｎ为数字量范围（ Ｉ０— ８ ４ ） ６ ０ ２ ８ 。此对应关系可以在 ｗ ｒｅｂｏｋ模块属性 并添加变量连接。 ６ ６
西 门子 ＳＥ ７中使用 梯形 图逻 辑 、 ＴＰ 功能 块 图或语 句表 进行 编程
操作 实现 。 ，
１ ２ 基 于 ＳＭＥ Ｉ Ｔ 的组 网 ． Ｉ Ｔ Ｃ ＮＥ
近似 产生 网络 中的通 信延 迟 ， 出现 了 ＴｕＴｍ 也 ｒｅ ｉｅ这 样根 据 网络 Ｍ ＡＣ协议对 通信延迟进行机理建模 的方法 。但 它 只适 用于单 级 的网络拓扑 ， 而且 当网络 中的通信节 点较 多时仿真系统 运行效
率很低 。
变送 器为 模拟 式
超声波 液位 传感
本仿真 平 台采 用 西 门子 ｓ ７—３ ０和 Ｃ ３ ３—１进 行 组 网。 ０ Ｐ４ ＳＭＥ Ｉ Ｅ Ｉ ＴＣ Ｎ Ｔ工业 以太 网作 为西 门子全集 成 自动 化 系统 中的一
个重要组成部分 ， 是工控应用 中最为广泛 的工业 以太 网之一 。采
用工业 以太网通 讯方 式 以更真 实模 拟工 业现 场 网络传 输 。 隋况
算机技术及 其应
Ｃｏ ｍｐｕｅ ｃ ｎ ｌＱ ｔｒ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ＆ Ａｐ ｌ ａｉ ｎ ｐｉ ｔ ｓ ｃ ｏ
《 气 动 ￣ １年 ４ ２ 电 自 化 ２ ２ 第３卷第 期 ｏ
半 实 物 网络 控 制 系统 仿 真 平 台设 计
李二超 ，李炜 。李战明 。谢梅林 一
（ ．兰州理 工大学 电气 与信 息工程学院 ， １ 甘肃 兰州
ｓ － ０ Ｌ ｓｕ ｅ ｓ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｌ ｐ ａｆｒ ｆ ｔ ｅ ｓｒ ｅ ，ＯＰ ｏ ｌ ｏ ｆＭａｌｂ ｉ ｕ ｅ ｏ ａ ｈ ｅ ｅ ＯＰ ｅ ｖ ｒ ｉ ａｌ ，ＮＣ ７ ３ ０ Ｐ Ｃ ｉ ｓ ｄ ａ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｌｔｏ ｍ ｏ ｈ ｅ ｖ ｒ Ｃ Ｔ ｏ ｂ ｘ ｏ ｔ ｓ ｓ ｄ ｔ ｃ ｉｖ Ｃ ｓ ｒ ｅ ，ｆ ｌ ａ ｎ ｙ Ｓ
Ｋｅ ｗｏ ｄ ： ｔ ｏｋ ｄ Ｃ ｎｒｌ ｙｔｍ ：ｐ ｏｅ ｓｃ ｎｒｌ ｎｅｎ ｔ ｅ —ｈ ｓ ａｓｓｍｕａｉｎ ｙ ｒ ｓ Ｎｅｗ ｒ ｅ ｏ ｔ ｓｅ ｏＳ ｒｃ ｓ ｏ ｔｏ ；Ｉｔｒ ｅ；ｓｍｉｐ ｙ ｉｌ ｉ ｌｔ ｃ ｏ
Ｏ 引 言
网络控 制系统 （ Ｃ ） Ｎ Ｓ 通过工 业 网络实 现控 制单 元之 间 的数 据交换 ， 究表 明网络控 制 系统 中的随机延 迟会 恶化控 制 品质 ， 研 甚 至使控制系统变得 不稳定 … 。不少 学者利 用随机 函数模 型来
Ｌ ＝ （ 一６ ０ ） ×００ ３＋１ Ｎ ０ ０ ．１ ３ （） １
模 型窗白中 ’ 。 双击ＯＣｃ ｇ ａ ｎ在ｃ ｆ ｒＯＣｃ ｎ／ Ｐ ｏ ｔｔ ， ｏｉ ｅ Ｐ ｌ ｔ 矗 ｌｉ ｒｏ ｎ ｉ ｓ ｕ ｇ ｅ
Ａ ｄ Ｓｌｃ 中选 择 添 加 Ｏ Ｃ Ｓｒｅ， 置 Ｏ Ｃ ｒａ ｌ ｋ Ｏ Ｃ ｄ／ ｅ ｔ ｅ Ｐ ｅ ｒ设 ｖ Ｐ ｅｄ ｂｏ ， Ｐ ｃ
（ ．Ｌ ｎｈ ｕ １ ａ ｚｏ
ｅ
ｏ ｃ ｎｌ ｙ Ｌ ｎｈ ｕＧ ｎｕ７ ０ ５ ，Ｃ ｉａ ｆ Ｔ ｈ ｏ ｇ ， ａｚ ｏ ａ ｓ ３ ０ ０ ｈｎ ； ｅ ｏ
２ ｅ ａ ｏａｏｙｏ ａ ｓ ｄａ ｃｄＣ ｎｒｌｏ ｎ ｕｔａ ｒ ｅｓ ， ｎｈｕＧ ｎｕ７ ０ ５ ，Ｃ ｉａ ．Ｋ ｙＬ ｂｒｔ Ｇ ｎｕＡ ｖｎｅ ｏ ｔ ｒ ｄ ｓ ｉｌ ｏ ｓ ｓ Ｌ ｚｏ ａ ｓ ３ ０ ０ ｈｎ ） ｒｆ ｏｆ Ｉ ｒ Ｐ ｃ ｅ ａ
信 号 ， 转换 为单极 性转 换 ， ４～ ０ｍＡ的信号对应 于数 字 量 此 即 ２ ６６０～ ７６ ８ 即 ２ ． ０ ２ ４ ， ０ ８～３０ｍ 的液位信号对 应于数 字量 ６６０ ０ ｍ ０
Ｅ ｅ ｔｃ Ｉ ｔｍａｉｎ ２ ｌｃｒ ａ Ａｕｏ ｔ １ ｉ ｏ
《 气 动 ）１年 ４ ２ 电 自 化２２ 第３卷第 期 ０
制单元为被控 对象 ， 仿真 条件更接近于实际工程背景 。
１ 实现 方案
．
实验装置 采用甘肃省工 业过程 先进 控制重 点实 验室 紧凑 型 Ｆ Ｓ Ｏ液位控制 系统 。液位 控制单元示意 图如 图 １ ＥＴ 所示 ， 被控 对 象为 Ｂ ０ ， １２ 被控参数为 Ｂ ０ １２的水 位 。执行 器为 水泵 Ｐ ０ ， 量 １１测
之处 在于 Ｍ Ｔ Ａ ／ ｉｕｉｋ与硬 件实 物之 间 如何 接 口 Ａ Ｌ Ｂ Ｓｍ ｌ ｎ 。随 着 Ｏ Ｃ技术 的发展 ， Ｔ Ａ Ｐ ＭＡ Ｌ Ｂ中有了专门 的 Ｏ Ｃ工具箱 ， Ｐ 并且 在 Ｓｍ ｌ ｋ模块库 中集成 了相应 的 Ｏ Ｃ模 块 ， ｉ ｕｉ ｎ Ｐ 因此本 文 使 用 Ｏ Ｃ Ｐ
合 的半实物 ＮＣ Ｓ实验系统 ， 为高级控制算法的研究和验证提供了一个 良好 的实验平 台。 关键词 ：网络控制系统 ； 过程 控制 ； 以太 网； 半实 物仿 真 ［ 中图分类号 ］Ｔ ２ ３ ［ Ｐ ７ 文献标 志码 ］Ａ ［ 文章编号 ］１０ ３ ８ （０ ２ ０ ０ ２ ０ ０ ０— ８ ６ ２ １ ）２— ０ １— ２
Ａｂｔａｔ： ｅ ｏｋｄＣ ｎｒ ｙｔ （ Ｃ ）ｉ ａｎｗ ｋ ｄｏ ｍ ｕｅ ｎｒｌ ｙｔ ｓ ｉｄ ｓｉ ｅ ｏｋ ｉｅｅｔ ｏｔ ｌ ａｔ ｃｍ ｕ ｉ ｔ ｓ ｃ Ｎ ｔ ｒｅ ｏｔ ｌ ｓ ｍ Ｎ Ｓ ｓ ｅ ｉ ｆ ｏ ｐ ｔｒ ｏ ｔ ｓ ｍ ，ｎ ｕｔａ ｎｔ ｒｓ ｆ ｒｎ ｃｎｒ ｒ ｏ ｍ ｎｃ ｅ ｒ ｗ ｏＳ ｅ ｎ ｃ ｃ ｏｓ ｅ ｒｌ ｗ ｄｆ ｏｐ ｓ ａ