CN111103811A - 一种控制***半实物仿真平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种控制***半实物仿真平台，包括真实PLC控制子***、虚拟仿真子***、建模子***；真实PLC控制子***根据待模拟的工业现场真实控制***搭建，且设置有待模拟工业现场真实控制***中的控制程序和监控程序，并基于虚拟仿真子***发送的输出信号执行控制程序；虚拟仿真子***用于驱动由建模子***提供的虚拟模型，并将虚拟模型的输出信号发送给真实PLC控制子***；建模子***用于构建虚拟模型，并将虚拟模型注入到仿真子***。采用本发明的半实物混合仿真平台能满足一类采用PLC为控制器的工业控制***仿真需要，能够从工业***物理机理和数据分析两个方面开展建模工作，具有较好的适应性、扩展性和复用性。

Description

一种控制***半实物仿真平台
技术领域
本发明涉及PLC工业控制技术领域，特别涉及一种控制***半实物仿真平台。
背景技术
在工业自动控制领域，基于PLC的控制***普遍存在，在这类自动化***的工程实践中，始终存在改进***的结构和工艺设计，优化控制算法，开展操作训练培训等诸多需求。然而，由于构建包括真实物理对象的工业控制***代价过于巨大，所以通过计算机技术进行模拟仿真就成了研究的首选策略。在飞行器、船舶驾驶等领域，半实物仿真在人员培训方面发挥了重要作用，但是在工业自动控制领域，特别是针对PLC控制***的仿真平台和工具还鲜有报道，主要原因是工业***涉及机、电、固、气、液等多种物理对象和物理过程，***内部和***之间相互关联耦合，需要开放、可扩展、适应性强的仿真平台。
公开号为CN109100955A的中国发明专利公开了一种半实物仿真控制试验平台及其试验方法，该试验平台包括：实验室控制器I、计算机及其上的数学软件，以及由所述数学软件对工业现场真实被控对象建模得到的虚拟被控对象。所述控制器I通过计算机对虚拟被控对象进行仿真控制时，控制参数可在控制器I上反复调整进行优化，优化后的控制参数可提供给工业现场控制真实被控对象的现场控制器II。但是，该发明所述控制器I与运行虚拟被控对象的计算机采用TCPIP通讯，而真实***中PLC控制器与被控对象是通过硬件IO接口以总线方式进行通讯的，因此该方法只能对控制***的控制参数进行优化，无法完全仿真控制器与被控对象之间的信息交互，而这一信息交互过程涉及控制软件的控制时序和控制逻辑，是控制程序的重要组成部分。
公开号为CN107678307A的中国发明专利公开了一种半实物仿真测试方法、装置及***，该发明所述该半实物仿真测试方法包括接收用户选择的测试项目，该测试项目关联有测试项目标识，调用项目对应的测试工具包中的测试程序，生成并发送测试指令至对应的控制器，以使控制器发送执行指令至数据采集设备，根据测试项目标识，从服务器中调取数据采集设备发送的运动参数其中该数据采集设备包括加载有实时仿真模型的下位机调用测试项目标识对应的测试工具包中的评价程序，对该运动参数进行分析计算，获取测试结果。该发明的虚拟仿真对象仅限于机器人模型，且该发明的半实物仿真测试方法结构也区别于一般PLC工业控制***的真实结构，因此该发明的方法不适用于基于PLC的工业自动化***的仿真。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种控制***半实物仿真平台，该半实物仿真平台能满足一类采用PLC为控制器的工业控制***仿真需要，能够从工业***物理机理和数据分析两个方面开展建模工作，具有较好的适应性、扩展性和复用性。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种控制***半实物仿真平台，其包括真实PLC控制子***、虚拟仿真子***、建模子***；所述真实PLC控制子***根据待模拟的工业现场真实控制***搭建，且设置有待模拟工业现场真实控制***中的控制程序和监控程序，并基于所述虚拟仿真子***发送的输出信号执行所述控制程序；所述虚拟仿真子***用于驱动由所述建模子***提供的虚拟模型，并将所述虚拟模型的输出信号发送给所述真实PLC控制子***；所述建模子***用于构建所述虚拟模型，并将所述虚拟模型注入到所述仿真子***。
进一步的，所述真实PLC控制子***包括上位机、一个以上真实物理PLC控制器、与所述真实物理PLC控制器数量对应的第一信号输入模块和第一信号输出模块；各所述真实物理PLC控制器均通过总线与所述上位机连接，通过背板总线或PLC扩展模块与相应的所述第一信号输入模块和第一信号输出模块连接，各所述第一信号输入模块和第一信号输出模块通过电缆与所述虚拟仿真子***连接；各所述真实物理PLC控制器中装载有控制程序，用于根据所述虚拟仿真子***中所述虚拟模型的输出信号执行控制程序；所述上位机中装载有监控程序，用于监控所述真实物理PLC控制器中装载的控制程序。
进一步的，所述上位机、各所述真实物理PLC控制器、第一信号输入模块、第一信号输出模块与待模拟的工业现场真实控制***的设置一致。
进一步的，所述真实物理PLC控制器中装载的控制程序以及所述上位机中装载的监控程序与待模拟的工业现场真实控制***中运行的控制程序和监控程序一致。
进一步的，所述虚拟仿真子***包括仿真服务器以及一个以上第二信号输入模块、第二信号输出模块和信号变换模块，且所述第二信号输入模块、第二信号输出模块和信号变换模块的数量与所述真实PLC控制子***中的真实物理PLC控制器数量一致；各所述第二信号输入模块接收各真实PLC控制子***的控制指令，经过所述信号变换模块进行信号变换后输入给所述仿真服务器中存储的虚拟模型，所述虚拟模型输出的信号经所述信号变换模块进行信号变换后通过所述第二信号输出模块输出到所述真实PLC控制子***中的相应真实物理PLC控制器。
进一步的，各所述第二信号输入模块通过电缆与所述真实PLC控制子***中的相应的第一信号输出模块连接，各所述第二信号输出模块通过电缆与所述真实PLC控制子***中相应的第一信号输入模块连接。
进一步的，所述建模子***包括模型构建模块和历史数据库；所述模型构建模块用于建立待模拟工业现场控制***的虚拟模型；所述历史数据库用于存储待模拟工业现场控制***的历史运行数据。
进一步的，所述建模子***构建的虚拟模型包括两类，一是从物理对象机理分析入手，构建物理对象的虚拟模型；二是利用待模拟工业现场控制***的历史运行数据建立的虚拟模型。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明设置的控制***半实物仿真平台，将整个平台分为真实PLC控制子***、虚拟仿真子***和建模子***，实现了***内部和***之间的解耦，能够对各个***单独进行修改，可扩展性和适用性得到有效增强。2、本发明中真实PLC控制子***与待模拟的工业现场真实***完全一致，真实PLC控制子***中的控制程序和监控程序与待模拟的工业现场真实***中运行的程序完全一致，因而其得到的相关参数更容易直接应用于工业现场的控制***。3、本发明真实PLC控制子***和虚拟仿真子***通过电缆连接，能够完全仿真控制器与被控对象之间的信息交互，得到的控制参数更加适用于工业现场的控制***。4、本发明建模子***构建的虚拟模型能够植入虚拟仿真子***中，与PLC控制子***进行通讯和交互，其中，虚拟模型的建立可以从物理对象机理分析入手建立物理对象的虚拟模型，也可以利用真实***的历史数据建立物理对象的虚拟模型，能够为工业***的优化设计、控制算法改进等提供平台和测试环境。因此，本发明可以广泛应用于PLC工业控制技术领域。
附图说明
图1是本发明的一个实施样例1；
图2是本发明的另一个实施样例2；
图中，各标号如下：1、真实PLC控制子***；2、虚拟仿真子***；3、建模子***；4、上位机；5、总线；6、真实物理PLC控制器；7、第一信号输入模块；8、第一信号输出模块；9、第二信号输出模块；10、第二信号输入模块；11、电缆；12、信号变换模块；13、网络；14、仿真服务器；15、仿真建模工具；16、模型构建模块；17、历史数据库。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提出的一种控制***半实物仿真平台，包括真实PLC控制子***1、虚拟仿真子***2和建模子***3。其中，真实PLC控制子***1根据待模拟的工业现场真实控制***搭建，且设置有待模拟工业现场真实控制***中的控制程序和监控程序，并基于虚拟仿真子***2发送的输出信号执行控制程序；虚拟仿真子***2用于驱动由建模子***3提供的虚拟模型，并将虚拟模型的输出信号发送给真实PLC控制子***1；建模子***3采用仿真建模工具或通过真实控制***的历史数据分析等两种方式构建虚拟模型，并将构建的虚拟模型注入到虚拟仿真子***2。
进一步，真实PLC控制子***1包括上位机4、一个以上真实物理PLC控制器6、与真实物理PLC控制器6数量对应的第一信号输入模块7和第一信号输出模块8。其中，各真实物理PLC控制器6均通过总线5与上位机4连接，通过背板总线或PLC扩展模块与相应的第一信号输入模块7和第一信号输出模块8连接，各第一信号输入模块7和第一信号输出模块8通过电缆与虚拟仿真子***2连接；各真实物理PLC控制器6中装载有控制程序，用于根据虚拟仿真子***2中虚拟模型的输出信号执行控制程序；上位机中装载有监控程序，用于对真实物理PLC控制器6中的控制程序进行监控。
进一步，上位机4、真实物理PLC控制器6、第一信号输入模块7、第一信号输出模块8与待模拟的工业现场真实控制***中完全一致；真实物理PLC控制器6中的控制程序和上位机4中加载的监控程序与待模拟的工业现场真实控制***中运行的程序完全一致。
进一步，真实PLC控制子***1的适应性体现在将上述真实物理PLC控制器6与信号输入模块7、信号输出模块8灵活组装或扩展可以适应于不同的工业控制***。
进一步，虚拟仿真子***2包括仿真服务器14以及一个以上第二信号输入模块10、第二信号输出模块9和信号变换模块12。其中，第二信号输入模块10、第二信号输出模块9和信号变换模块12的数量与真实PLC控制子***1中的真实物理PLC控制器6的数量一致。第二信号输入模块10通过电缆11与真实PLC控制子***1中的相应的第一信号输出模块8连接，第二信号输出模块9通过电缆11与真实PLC控制子***1中相应的第一信号输入模块7连接；第二信号输入模块10接收真实PLC控制子***的控制指令，经过信号变换模块12进行信号变换后通过网络13输入给仿真服务器14中存储的虚拟模型，虚拟模型输出的信号经信号变换模块12进行信号变换后通过第二信号输出模块9输出到真实PLC控制子***1中的相应真实物理PLC控制器6。
进一步，虚拟仿真服务器14可以运行不同类型的仿真平台软件，由仿真平台软件驱动虚拟模型运行，其中，仿真平台软件包括但不限于Anylogic、Modelica等。
进一步，建模子***包括模型构建模块16和历史数据库17，其中，模型构建模块16用于部署温度、流体、结构力学、电气等各类物理场和基于多智能体的仿真建模工具15，包括但不限于ANSYS、FLUENT、MATLAB等，并能通过网络将所构建的虚拟模型上传至虚拟仿真子***2的仿真服务器14中；历史数据库17用于存储真实工业***运行的大量数据。
进一步，模型构建模块16可以构建两类虚拟模型，一是从物理对象机理分析入手，构建物理对象的黑箱虚拟模型；二是利用真实工业***的历史运行数据建立虚拟模型。
如图1所示，给出了本发明的第一种实施方式，下面对其进行介绍。
1)建立真实PLC控制子***1，该真实PLC控制子***1包括上位机4、真实PLC控制器6、信号输入模块7和信号输出模块8等；其中，上位机4和PLC控制器6之间通过总线5连接，如采用西门子公司的S7-300或S7-400 PLC则总线5通常是Profibus DP总线。然后，向真实PLC控制子***1中的PLC控制器6和上位机4中注入工业现场真实控制程序和监控程序；
2)建立虚拟仿真子***2，该虚拟仿真子***2包括信号输出模块9、信号输入模块10、信号变换模块12和仿真服务器14，真实PLC控制子***1的信号输入模块7通过电缆11直接连接虚拟仿真子***2中的信号输出模块9，真实PLC控制子***1中的信号输出模块8通过电缆11直接连接虚拟仿真子***2中的信号输入模块10；信号输入模块10和信号输出模块9与信号变换模块12连接，变换处理后的信号通过网络13与仿真服务器14进行通讯。
3)建立建模子***3，该建模子***3包括仿真建模软件工具15、模型构建模块16和历史数据库17。其中，仿真建模软件工具15的选择如下：多智能体建模软件可优选Anylogic，以数学方程为主的建模工具可优选Modelica，对于物理场建模可优选Fluent、ANSYS等建模工具，对于机电设备建模可优选Modelica为建模工具。此外，可以利用历史数据库17提供的数据进行建模。在模型构建模块16上生成的虚拟模型可以上载到虚拟仿真服务器14上进行仿真运行。以建筑暖通空调***建模为例，优选Modelica的Building库建立风机、水泵、阀门、冷机等机电设备的虚拟模型，通过Modelica内部的连接器模块与真实PLC控制子***1的信号输入输出模块进行通信。
如图2所示，为本发明的第二个实施例。实施例2与实施例1的区别主要包括两个方面：一是真实PLC控制子***1不同，实施例2中，通过增加真实PLC控制子***1中的PLC控制器6以及信号输入模块7和信号输出模块8的数量来扩展真实PLC控制子***1的规模；二是建模子***3不同，在没有历史数据的情况下，建模子***3通过仿真建模工具进行机理建模也可以进行仿真。
以上给出一种具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种控制***半实物仿真平台，其特征在于：包括真实PLC控制子***、虚拟仿真子***、建模子***；
所述真实PLC控制子***根据待模拟的工业现场真实控制***搭建，且设置有待模拟工业现场真实控制***中的控制程序和监控程序，并基于所述虚拟仿真子***发送的输出信号执行所述控制程序；
所述虚拟仿真子***用于驱动由所述建模子***提供的虚拟模型，并将所述虚拟模型的输出信号发送给所述真实PLC控制子***；
所述建模子***用于构建所述虚拟模型，并将所述虚拟模型注入到所述仿真子***。
2.如权利要求1所述的一种控制***半实物仿真平台，其特征在于：所述真实PLC控制子***包括上位机、一个以上真实物理PLC控制器、与所述真实物理PLC控制器数量对应的第一信号输入模块和第一信号输出模块；
各所述真实物理PLC控制器均通过总线与所述上位机连接，通过背板总线或PLC扩展模块与相应的所述第一信号输入模块和第一信号输出模块连接，各所述第一信号输入模块和第一信号输出模块通过电缆与所述虚拟仿真子***连接；
各所述真实物理PLC控制器中装载有控制程序，用于根据所述虚拟仿真子***中所述虚拟模型的输出信号执行控制程序；
所述上位机中装载有监控程序，用于监控所述真实物理PLC控制器中装载的控制程序。
3.如权利要求2所述的一种控制***半实物仿真平台，其特征在于：所述上位机、各所述真实物理PLC控制器、第一信号输入模块、第一信号输出模块与待模拟的工业现场真实控制***的设置一致。
4.如权利要求2所述的一种控制***半实物仿真平台，其特征在于：所述真实物理PLC控制器中装载的控制程序以及所述上位机中装载的监控程序与待模拟的工业现场真实控制***中运行的控制程序和监控程序一致。
5.如权利要求2所述的一种控制***半实物仿真平台，其特征在于：所述虚拟仿真子***包括仿真服务器以及一个以上第二信号输入模块、第二信号输出模块和信号变换模块，且所述第二信号输入模块、第二信号输出模块和信号变换模块的数量与所述真实PLC控制子***中的真实物理PLC控制器数量一致；
各所述第二信号输入模块接收各真实PLC控制子***的控制指令，经过所述信号变换模块进行信号变换后输入给所述仿真服务器中存储的虚拟模型，所述虚拟模型输出的信号经所述信号变换模块进行信号变换后通过所述第二信号输出模块输出到所述真实PLC控制子***中的相应真实物理PLC控制器。
6.如权利要求5所述的一种控制***半实物仿真平台，其特征在于：各所述第二信号输入模块通过电缆与所述真实PLC控制子***中的相应的第一信号输出模块连接，各所述第二信号输出模块通过电缆与所述真实PLC控制子***中相应的第一信号输入模块连接。
7.如权利要求1所述的一种控制***半实物仿真平台，其特征在于：所述建模子***包括模型构建模块和历史数据库；所述模型构建模块用于建立待模拟工业现场控制***的虚拟模型；所述历史数据库用于存储待模拟工业现场控制***的历史运行数据。
8.如权利要求7所述的一种控制***半实物仿真平台，其特征在于：所述建模子***构建的虚拟模型包括两类，一是从物理对象机理分析入手，构建所述物理对象的虚拟模型；二是利用待模拟工业现场控制***的历史运行数据建立的虚拟模型。
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