Как запустить симуляцию контроллера plcsim

Симулятор для тестирования ПО АСУТП

Расскажу вам о своём проекте, который делаю в свободное время уже три года.

Работаю в компании занимающейся автоматизацией на должности программиста контроллеров. Последнее время, в основном, используем Siemens, ПЛК SIMATIC S7 и пакет визуализации WinCC, но есть опыт и по другим производителям. Профиль компании – нефтегазовый сектор (резервуарные парки, насосные, железнодорожные эстакады, причальные комплексы, системы пожаротушения).

Наверное, с самого первого проекта, меня интересовал вопрос тестирования программного обеспечения до этапа пуско-наладки на реальном оборудовании. Не так давно, на хабре был пост — Программирование ПЛК Siemens на Simatic Step7, и адреналин, про который говорилось в комментариях, знаком мне не понаслышке.

В настоящий момент, используя мою программную платформу, мы можем избавиться от большей части ошибок и отладить автоматизированные функции в комфортных условиях офиса (а не сидя на катушке кабеля, в неотапливаемом помещении, в морозный зимний день).

Введение

В упрощённом виде наша АСУТП состоит из следующих компонентов:

Датчики (давления, температуры) и исполнительные механизмы (задвижки, насосы).
Программируемый логический контроллер (ПЛК).
Система визуализации (SCADA, HMI).

У нас в разработке, обычно, участвуют два человека. Один пишет программу для ПЛК, второй делает систему визуализации. Сейчас стараемся задействовать третьего – тестировщика. Не могу сказать, что мы реализуем очень сложные алгоритмы управления, но есть своя специфика, связанная, прежде всего, с размерами системы. Например, мой текущий проект в сумме имеет приблизительно 2300 сигналов, большая часть из которых входные (около 1500).

Для тестирования, стенд, состоящий из ПЛК и системы визуализации, собираем в офисе. Некоторые производители предлагают программные симуляторы ПЛК, так что, иногда, можно обойтись обычной компьютерной техникой. Например, S7PLCSim от Siemens:

Остаётся вопрос с датчиками и исполнительными механизмами, которые связаны с нашей системой через дискретные/аналоговые входные/выходные сигналы.

Некоторые компании производители ПЛК предоставляют инструменты для программной имитации входных сигналов. Например, через среду программирования Step7 контроллеров Siemens можно значение любого входного сигнала, в реальном ПЛК, задать принудительно (форсировать), а если вы используете симулятор контроллера, просто установить через графический интерфейс. На приведённой выше иллюстрации: IB 10 – байт входов, IW 5 – слово входов, QB 7 и QW 2 – выхода, а MD 123 – двойное слово во внутренней памяти котроллера.

Другой подход, который необходимо упомянуть, это имитация входных сигналов на уровне железа. Для нас данный подход неудобен – слишком много времени тратится на подключение. Кроме того, в офисе, обычно, есть только модуль процессора от ПЛК, а модули для подключения входных/выходных сигналов, которые ставятся в отдельных шкафах, стоят на складе или уже отправлены для монтажа к заказчику.

Понятно, что таким средствами, можно провести простую проверку прохождения сигналов от контроллера в систему визуализации и обратно. Можно отладить не очень сложные автоматические алгоритмы, благо, что в Step7 есть точки останова (breakpoints). Но если в алгоритме участвует несколько единиц оборудования (несколько насосов + обвязка из задвижек и датчиков) это достаточно сложно.

Идея

Вот уже несколько лет для каждого своего проекта, помимо программы для ПЛК, я создаю программный симулятор автоматизируемого объекта. Англоязычные источники иногда называют подобные системы — Factory Acceptance Test (FAT) simulator (симулятор для заводской приёмки) и классифицируют их по степени достоверности симуляции. В сети совсем не много информации по созданию подобных симуляторов, в основном используются Matlab + Simulink, LabView, кто-то реализует симуляцию внутри ПЛК. Есть специальные средства разработки – WinMOD, Mynah MiMiC, Siemens SIMIT, APROS.

После некоторых размышлений, решил попробовать создать свою платформу. Прежде всего, было желание изучить что-то новое (.NET и С#). Обстоятельства сложились удачно, и наша компания, для одного из проектов, приобрела готовую библиотеку OPC клиента. Это позволило мне сконцентрироваться на основной задаче.

Чтобы создать программный симулятор для стенда с реальным ПЛК необходимо предусмотреть в нём подмену данных получаемых с физических входов на имитационные. К сожалению, это приходится делать в самой программе контроллера. Следующий шаг – обеспечить доступ к этим данным через OPC интерфейс. После этого, можно приступать к написанию программы ПЛК и созданию симулятора автоматизируемого объекта.

Если использовать S7PLCSim – в подмене данных нет необходимости. При этом систему визуализации придётся запустить на той же машине вместе с S7PLCSim и симулятором объекта (ограничение S7PLCSim). В случае нехватки мощности можно попробовать разнести их с помощью бесплатной утилиты NetToPLCSim.

Платформа

Платформа, которую я разработал, похожа на примитивную среду для создания систем визуализации. Работу можно разбить на три этапа:

Создание переменных (Item). Их всего три типа:
- Internal — внутренняя переменная, которая используется для связи между объектами внутри симулятора.
- OPC — переменная связанная с внешним OPC сервером. В данном случае симулятор выступает OPC клиентом.
- S7PLCSim — данная переменная предназначена для связи с симулятором контроллера SIMATIC S7. Поддерживаются области памяти I, Q, M и DB.
На текущей стадии развития, платформа позволяет подключение только к одному симулятору контроллера SIMATIC S7 и одному OPC серверу. Зато, все переменные видны по OPC, так как платформа является OPC сервером.

Добавлять и удалять переменные можно во время работы симулятора. Система не позволит удалить переменную, которая используется.

Объекты можно добавлять, удалять и редактировать его свойства во время работы симулятора.

  [Переменные] [Объекты симуляции] [Панели с отображениями объектов симуляции]

Это позволяет редактировать его вручную, генерировать скриптами, например в Excel, а также полноценно использовать систему контроля версий.

Так может выглядеть интерфейс симулятора:

Возможности

Создание симулятора автоматизируемого объекта даёт множество преимуществ:

Удобство разработки и тестирования. Создавая программу для ПЛК и параллельно с ней симулятор объекта, я могу проверить каждый участок кода и смоделировать практически любую ситуацию. Разработчик системы визуализации, также, пользуется всеми удобствами симулятора, не вникая, при этом, в программу ПЛК (и не дёргая меня, каждый раз, когда хочет что-то проверить). Более-менее нормальный графический интерфейс позволяет привлечь к тестированию системы человека, который не принимал участия в её создании, а значит, найдёт больше ошибок, чем любой из создателей. Кроме того, даже на объекте, можно переключить систему в режим симуляции, что-то доработать и проверить полностью программным методом, без использования реального оборудования.
Демонстрация работы программной части системы независимо от степени готовности всего остального.
Обучение операторов. Работа системы в режиме симуляции позволяет оператору более подробно, и главное без стресса, изучить работу системы (и найти ошибки).
Упрощение гарантийного сопровождения системы. Если воссоздать условия возникновения ошибки, иногда, можно обойтись без командировки на объект.

Дальнейшее развитие

Так как это мой первый опыт создания чего-то серьёзного на С#, прежде всего, хотелось бы переработать архитектуру:

Выделить слой отвечающего за внешние соединения и реализовать их в виде подключаемых модулей (Plug-in). Это позволит подключаться к нескольким OPC серверам и экземплярам Siemens SIMATIC S7PLCSim. Кроме того, облегчит добавление других типов соединений, например Modbus.
Внедрить класс визуальных элементов не связанных с симуляционными объектами. В настоящий момент, любой элемент интерфейса пользователя на экране обязательно связан с объектом симуляции, что не очень удобно. Иногда действительно не хватает возможности чего-нибудь нарисовать, вставить картинку или просто написать поясняющий текст.
Создать систему подключаемых модулей (Plug-in) для объектов симуляции и их отображений. Основное направления развития платформы – расширение библиотеки объектов симуляции, поэтому удобство их создания и интеграции является ключевым фактором.

Сайт

На сайте automation.ucoz.com можно скачать демонстрационную версию. Она не ограничена по времени, но в ней можно создать только 20 переменных и 10 объектов симуляции (все типы, кроме С# скриптов). полную версию (Freeware).