ＩＳＳＮ１６７２－４３０５ＣＮ１２－１３５２ ／ Ｎ

实　 　 验　 　 室　 　 科　 　 学ＬＡＢＯＲＡＴＯＲＹ　 ＳＣＩＥＮＣＥ

第 ２１卷　 第 １期　 ２０１８年 ２月Ｖｏｌ ２１　 Ｎｏ １ 　 Ｆｅｂ ２０１８

基于 ＳＴＥＰ７和 ＷｉｎＣＣ的过程控制仿真实验设计

盖文东， 曲承志， 刘　 杰， 张　 宁， 张　 婧（山东科技大学 电气与自动化工程学院， 山东 青岛　 ２６６５９０）

摘　 要： 针对目前在教学过程中使用的过程控制实验装置存在的实验成本高、 效率低的问题， 设计了一种基于 ＳＴＥＰ７和ＷｉｎＣＣ的过程控制仿真实验。 该仿真实验利用 ＳＴＥＰ７软件完成了对典型工艺过程模型搭建、 控制算法设计， 并与 ＷｉｎＣＣ组态软件进行实时通信， 实现了对整个工艺过程的实时监控。 以双容水箱液位串级控制为例， 说明了该仿真实验的具体设计过程。 应用结果表明： 该仿真实验提高了实验效率， 提升了学生运用知识的能力。关键词： 过程控制； 仿真实验； ＰＬＣ； ＷｉｎＣＣ； ＳＴＥＰ７中图分类号：ＴＰ２７３．４　 　 文献标识码：Ａ　 　 ｄｏｉ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－４３０５．２０１８．０１．０２７

Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＴＥＰ７ ａｎｄ ＷｉｎＣＣ

ＧＡＩ Ｗｅｎ－ｄｏｎｇ， ＱＵ Ｃｈｅｎｇ－ｚｈｉ， ＬＩＵ Ｊｉｅ， ＺＨＡＮＧ Ｎｉｎｇ， ＺＨＡＮＧ Ｊｉｎｇ（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ， Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６５９０， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｈｉｇｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｌｏｗ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｄｅｖｉｃｅ， ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＴＥＰ７ ａｎｄ ＷｉｎＣＣ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＳＴＥＰ７ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔｈｅ ｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ， ａｎｄ ｍａｋｅｓｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＷｉｎＣＣ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ． Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｃａｓｃａｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ ｔａｎｋ ｌｅｖｅｌ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ， ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｓ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉ⁃ｍｅｎｔ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｔｏ ｕｓｅ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； ＰＬＣ； ＷｉｎＣＣ； ＳＴＥＰ７

　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　

基金项目：山东省研究生教育创新计划项目（项目编号：ＳＤＹＹ１６００２）；山东科技大学优秀教学团队建设计划资助（项目编号：ＪＸＴＤ２０１７０５１０）；山东科技大学自动化学院青年教师教学拔尖人才

培育计划资助项目（项目编号：ｓｋｚｄｈｊｘｂｊ１５３）。通讯作者：曲承志（１９９３－），男，山东烟台人，硕士生，主要

研究方向为控制理论及其应用。

　 　 过程控制是自动化技术的重要组成部分，其相应的实验课程是自动化专业的主要课程之一［１ －２ ］。通过相应的实验教学，学生可以深入了解过程对象的建模方法和控制系统的设计方法。

目前在各高校中使用较多的过程控制实验装置

有天煌教仪的 ＴＨＫＧＫ 系列、青岛金博士 ＧＫ０６ 系列、北京华晟的 Ａ３０００系列、求是教仪的 ＮＰＣＴ系列

等［３－４ ］。 它们包括以下典型工艺对象：双容 ／多容水箱系统、加热炉系统、锅炉系统等，反映了流程工业生产过程的基本特性［５ ］。 现有实验设备的采购和维护成本较高，占用较大的实验场地，并且同一实验设备上同时操作的学生人数较少，实验效率不高；另外，现有的实验设备只能完成一些固定类型的实验，可扩展性较差，难以满足本科毕业设计和研究生创新研究的需要。

软件仿真技术为解决这些问题提供了新的方

法［６ ］。 为了解决前述问题，雷振伍等提出了基于ＰＣＳ７和 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的虚拟实验平台方案［７］，减少了硬件成本，提高了实验效率，但该方案依赖 Ｍａｔｌａｂ 软件，且交互界面不够生动形象；许雯娜等［８］通过建立全虚拟 ＰＬＣ实验系统以解决 ＰＬＣ 传统实验教学环节的问题，使用三菱 ＰＬＣ 与组态王通讯，在纯软

件的环境下便可完成整个教学实验环节，但是仿真平台采用纯数字量控制，没有涉及模拟量的仿真；李继芳等［９］开发了基于 ＶＲＭＬ 的 ＰＬＣ 虚拟仿真实训平台，可实现完整的系统搭建以及逼真场景的仿真调试，但操作界面复杂，难以实现二次开发。

本文利用 ＳＴＥＰ７ 逻辑控制软件与 ＷｉｎＣＣ 监控软件，以双容水箱液位串级控制为例，构建了软件环境下以 ＰＬＣ为控制中心的仿真实验平台，操作界面简单，有效地解决了传统实物实验设备成本高、实物教学方式不够灵活等问题，高年级本科生和研究生均可以在其基础上进行二次开发和创新研究。

１　 过程控制仿真实验设计方案

本仿真实验的设计思路为：利用 ＳＴＥＰ７［１０ －１１ ］软件实现工艺对象的数学模型和具体的控制算法，并将控制程序与虚拟硬件下载到 ＳＴＥＰ７ 的对象仿真软件 Ｓ７－ＰＬＣＳＩＭ中；同时，利用 ＷｉｎＣＣ 组态软件建立工艺对象的监控界面，与 ＳＴＥＰ７ 进行变量连接，以读取和显示它所输出的数据，并通过修改其中的控制器参数或给定值来改变控制效果。 该仿真实验系统方案如图 １所示。

图 １　 ＰＬＣ仿真实验方案

图 １中的仿真实验监控界面通过 ＷｉｎＣＣ组态软件实现；控制器、被控对象的模型由 ＳＴＥＰ７中的组织块、功能块和背景数据块实现。 Ｓ７－ＰＬＣＳＩＭ 是西门子开发的仿真软件，集成在 ＳＴＥＰ７中，可实现无硬件仿真。 另外，ＷｉｎＣＣ 和 ＳＴＥＰ７ 均运行在同一台计算机上，可有效降低实验成本，便于学生完成实验。

２　 仿真实验设计

根据图 １ 的仿真实验方案，以双容水箱液位串级控制为例介绍了该仿真实验的具体设计过程。２．１　 被控对象仿真模型建立

被控对象双容水箱的数学模型为：

Ｇ（ ｓ） ＝ Ｇ１（ ｓ）Ｇ２（ ｓ） ＝０．８

（１４．８６ｓ ＋ １）· １．２（３６．１８ｓ ＋ １）

（１）由式（１）可见，该被控对象的数学模型包含两

个一阶惯性环节，其中上水箱的数学模型为 Ｇ１（ ｓ） ，

下水箱的数学模型为 Ｇ２（ ｓ） 。ＳＴＥＰ７软件提供的功能块 ＦＢ１００ 可以用来模

拟三阶惯性环节［ １２］。 将三阶惯性环节中某一惯性环节的时间常数设置为 ０，就可以得到用于液位串级控制仿真实验的二阶惯性环节，建立相应仿真环境下的被控对象模型。 下水箱参数赋值如图 ２ 所示，上水箱参数赋值与之类似。

图 ２　 下水箱参数赋值

２．２　 仿真程序的结构仿真程序的主体是由组织块 ＯＢ１、ＯＢ３５和 ＯＢ１００

组成的。 各逻辑块和数据块的符号名见表 １所示。

表 １　 用户块符号名

变量名 地址 注释

主控制器．ＳＰ＿ＩＮＴ ＤＢ４１．ＤＢＤ６ 主控制器设定值

上水箱．ＯＵＴＶ ＤＢ１０１．ＤＢＤ３０ 上水箱液位输出值

下水箱．ＯＵＴＶ ＤＢ１００．ＤＢＤ３０ 下水箱液位输出值

主控制器．Ｋｐ ＤＢ４１．ＤＢＤ２０ 主控制器 Ｋｐ

主控制器．Ｔｉ ＤＢ４１．ＤＢＤ２４ 主控制器 Ｔｉ

主控制器．Ｔｄ ＤＢ４１．ＤＢＤ２８ 主控制器 Ｔｄ

副控制器．Ｋｐ ＤＢ４２．ＤＢＤ２０ 副控制器 Ｋｐ

副控制器．Ｔｉ ＤＢ４２．ＤＢＤ２４ 副控制器 ＴＩ

副控制器．Ｔｄ ＤＢ４２．ＤＢＤ２８ 副控制器 Ｔｄ

仿真开始时 ＣＰＵ 会调用一次启动组织块ＯＢ１００，将 ＰＩＤ 控制器和被控对象的内部参数初始化。 组织块 ＯＢ１一般用来存放主函数，在本程序中它产生闭环控制所需的给定值。 仿真过程中 ＣＰＵ会调用循环中断组织块 ＯＢ３５，再由 ＯＢ３５ 调用功能块 ＦＢ４１和 ＦＢ１００分别完成 ＰＩＤ控制器计算和被控对象计算，从而完成一次闭环控制仿真。 各用户块的调用关系如图 ３所示。

图 ３　 用户块调用关系

４０１ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

盖文东，等：基于 ＳＴＥＰ７和 ＷｉｎＣＣ的过程控制仿真实验设计

２．３　 控制系统的程序设计在 ＳＴＥＰ７仿真环境中，本仿真实验系统结构图

如图 ４所示。

图 ４　 仿真实验系统结构图

（１）在 ＯＢ１组织块中产生给定信号，并通过开启（ Ｉ０． ０）和复位 （ Ｉ０． １）控制给定信号的开始和复位。

（２）在启动组织块 ＯＢ１００中调用连续 ＰＩＤ控制器功能块 ＦＢ４１和被控对象功能块 ＦＢ１００，设置主回路和副回路 ＰＩＤ控制器的参数的初始值，以及被控对象的增益和时间常数的初始值。 主回路采用 ＰＩ控制， Ｋｐ１ ＝ １５， ＴＩ ＝ ５０ｓ ， ＴＤ ＝ ０ｓ ；副回路采用比例控制， Ｋｐ２ ＝ １５。 主回路 ＰＩＤ控制器参数设置如图 ５所示。

图 ５　 主控制器 ＰＩＤ参数赋值

（３）在循环中断组织块 ＯＢ３５ 中调用 ＦＢ４１ 和ＦＢ１００。 其中主控制器的输出变量 ＬＭＮ 送给副控制器的输入变量 ＰＶ＿ＩＮ，将副控制器的输出变量ＬＭＮ送给上水箱的输入变量 ＩＮＶ，将上水箱的输出变量 ＯＵＴＶ 送给下水箱的输入变量 ＩＮＶ 以及副控制器的设定值输入变量 ＳＰ＿ＩＮＴ，最后将下水箱的输出变量 ＯＵＴＶ 送给主控制器的过程输入变量 ＰＶ＿ＩＮ，完成如图 ４所示的串级控制。２．４　 监控界面设计

（１）在开始监控界面的设计工作之前，需要建立 ＳＴＥＰ７与ＷｉｎＣＣ［１ ３ －１５］的变量连接。 在ＷｉｎＣＣ的“变量管理”中选择“添加新的驱动程序”，如图 ６ 所示，添加“ＳＩＭＡＴＩＣ Ｓ７ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｓｕｉｔｅ”到变量管理的子目录下。

图 ６　 添加新的驱动程序

如图 ７ 所示，选择 ＭＰＩ 通道，并选中“新的连接”，随后在所建立的连接中建立变量。

图 ７　 ＭＰＩ通道新建连接

将新建的变量设定为对应的变量类型，变量地址设定为对应的 Ｉ ／ Ｏ 地址或 ＤＢ 地址，完成与ＳＴＥＰ７的变量连接。 连接好的变量可以被 ＷｉｎＣＣ中的图形调用。 ＷｉｎＣＣ变量表如表 ２所示。

表 ２　 ＷｉｎＣＣ变量表

变量名 地址 注释

主控制器．ＳＰ＿ＩＮＴ ＤＢ４１．ＤＢＤ６ 主控制器设定值

上水箱．ＯＵＴＶ ＤＢ１０１．ＤＢＤ３０ 上水箱液位输出值

下水箱．ＯＵＴＶ ＤＢ１００．ＤＢＤ３０ 下水箱液位输出值

主控制器．Ｋｐ ＤＢ４１．ＤＢＤ２０ 主控制器 Ｋｐ

主控制器．Ｔｉ ＤＢ４１．ＤＢＤ２４ 主控制器 Ｔｉ

主控制器．Ｔｄ ＤＢ４１．ＤＢＤ２８ 主控制器 Ｔｄ

副控制器．Ｋｐ ＤＢ４２．ＤＢＤ２０ 副控制器 Ｋｐ

副控制器．Ｔｉ ＤＢ４２．ＤＢＤ２４ 副控制器 ＴＩ

副控制器．Ｔｄ ＤＢ４２．ＤＢＤ２８ 副控制器 Ｔｄ

（２）绘制监控界面。 监控界面的绘制工作主要包括整个工艺流程的绘制、数据对象（包括开启 ／停止按钮、下水箱液位的给定值、上水箱与下水箱液位的测量值、比例系数、积分时间、微分时间等）显示，实时曲线显示，以及添加相应的输入输出。

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所设计的监控界面如图 ８ 所示。 主、副控制器的参数以及液位设定值均可以在线修改。 监控界面的绘制实现了整个仿真实验的显示效果，从而与真实的液位系统相对应，构建一个方便的人机交互界面。

（３）实时监控。 首先将程序下载到 Ｓ７－ＰＬＣＳＩＭ

中，选中“ＲＵＮ”模式。 然后打开 ＷＩＮＣＣ 的运行系统，启动仿真实验，液位设定值为 ７０，上水箱液位迅速上升，带动下水箱液位以较快的速度上升。 如图８所示，没有超调量，稳态误差也比较小，具有较好的控制性能。

图 ８　 双容水箱液位串级控制监控界面

　 　 在整个仿真实验过程中，被控对象与控制器构成的闭环控制是由 ＳＴＥＰ７ 软件实现，ＷｉｎＣＣ 建立监控界面。 当仿真启动后，控制器输出、液位高度等变量发生变化，通过 ＳＴＥＰ７ 与 ＷｉｎＣＣ 的 ＭＰＩ 变量连接，使 ＷｉｎＣＣ 中对应变量改变，从而使监控界面的数据变化，产生相应的动画效果。

３　 结语

基于 ＳＴＥＰ７ 和 ＷｉｎＣＣ 建立的双容水箱过程控制仿真实验对实验教学有重要意义。 该仿真实验有效解决了传统实物实验教学成本高、实验过程不灵活、受设备及时间的影响等问题。 在仿真实验中，学生可以通过修改监控界面上的 ＰＩＤ 参数，直观地感受到水箱液位以及实时趋势线的变化。 另外，学生可以在此基础上进行二次开发，完成诸如加热炉、反应釜以及电梯等对象的控制仿真。

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收稿日期：２０１７－０６－２３修改日期：２０１７－０７－１３作者简介：盖文东（１９８２－），男，山东淄博人，博士，讲师，主

要研究方向为控制理论及其应用。

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