全虛擬PLC遠(yuǎn)程試驗(yàn)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

陳海生 鄭 萍

(西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039)

0 引言

隨著PLC在我國(guó)各個(gè)行業(yè)的廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展，建立先進(jìn)的PLC教學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)普及PLC控制技術(shù)及提高我國(guó)自動(dòng)化水平就顯得尤為重要。目前，主要存在兩類(lèi)PLC教學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng):全實(shí)物的PLC試驗(yàn)系統(tǒng)和以組態(tài)軟件與下位PLC硬件構(gòu)成的半虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)。前者按照實(shí)際控制系統(tǒng)組合形成完整的PLC控制系統(tǒng);后者則采用組態(tài)軟件技術(shù)，全真模擬實(shí)際PLC控制系統(tǒng)中相關(guān)控制對(duì)象及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，相比前者，其試驗(yàn)硬件成本大為減少［1］。

為了解決在無(wú)PLC硬件條件下的教學(xué)及資源共享問(wèn)題，本文提出了一種全虛擬PLC試驗(yàn)系統(tǒng)的方案。該系統(tǒng)將虛擬PLC技術(shù)、虛擬通信技術(shù)、工業(yè)組態(tài)軟件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，為PLC教學(xué)提供了完整的本機(jī)調(diào)試、上下位機(jī)控制及網(wǎng)絡(luò)連接的現(xiàn)代試驗(yàn)平臺(tái)，是一種利用現(xiàn)有資源實(shí)現(xiàn)的先進(jìn)PLC試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。

1 全虛擬系統(tǒng)總體方案

全虛擬PLC遠(yuǎn)程試驗(yàn)室系統(tǒng)的總體方案圖如圖1所示，系統(tǒng)由全虛擬PLC試驗(yàn)平臺(tái)和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)兩大部分組成。

圖1 全虛擬PLC試驗(yàn)系統(tǒng)總體方案圖Fig.1 The general scheme of full virtual PLC experimental system

全虛擬PLC試驗(yàn)平臺(tái)建立在PC機(jī)上，本校在教學(xué)中主要講授三菱PLC，因此首先安裝基于三菱PLC的編程軟件 GX Developer。該編程軟件自帶 GX Simulator仿真功能，可作為調(diào)試用的 PLC。在 GX Developer中編寫(xiě)梯形圖程序，然后將其下載到虛擬PLC軟件GX Simulator中，運(yùn)行 GX Simulator軟件，即模擬PLC的程序運(yùn)行。工業(yè)組態(tài)軟件可采用易控組態(tài)軟件，也可采用其他相關(guān)組態(tài)軟件，以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)PLC的監(jiān)控，并通過(guò)組態(tài)軟件在PC機(jī)上全真模擬PLC的控制對(duì)象及相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備［2］。為了將模擬PLC的GX Simulator仿真軟件與組態(tài)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，可利用VSPM虛擬串口軟件的串口連接功能將兩者連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在GX Simulator仿真軟件與組態(tài)軟件之間的上傳下達(dá)。

為實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)室本體平臺(tái)上的資源共享和遠(yuǎn)程教學(xué)，可利用基于易控組態(tài)軟件的Web網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，使用者在以太網(wǎng)上通過(guò)瀏覽器對(duì)試驗(yàn)室資源進(jìn)行IP訪問(wèn)和遠(yuǎn)程試驗(yàn)。學(xué)習(xí)人員在家里就可以共享試驗(yàn)室資源，并完成一系列PLC試驗(yàn)。

2 虛擬試驗(yàn)平臺(tái)的建立

2.1 系統(tǒng)軟件平臺(tái)的建立

在PC機(jī)上安裝如下程序:三菱的編程平臺(tái)GX Developer和GX Simulator仿真程序、易控組態(tài)軟件和IIS功能組件以及VSPM虛擬串口軟件。

2.2 虛擬PLC的建立

GX Developer是三菱的通用編程軟件，可完成三菱全系列PLC的編程、監(jiān)控、調(diào)試和維護(hù)工作，可支持梯形圖、指令表、SFC、ST 及 FB 編程［3］。

以三菱公司 A3U型 PLC為例，首先在 GX Developer編程軟件中新建一個(gè)工程;根據(jù)試驗(yàn)需要編寫(xiě)控制系統(tǒng)程序，編譯通過(guò)后，啟動(dòng)梯形圖邏輯測(cè)試(ladder logic test，LLT)，梯形圖程序?qū)⑾螺d到 GX Simulator仿真軟件。此時(shí)的GX Simulator即相當(dāng)于一臺(tái)全狀態(tài)運(yùn)行的虛擬 PLC［4］。

2.3 通信實(shí)現(xiàn)

①虛擬PLC的通信串口設(shè)定:虛擬PLC處于RUN狀態(tài)時(shí)，選擇菜單啟動(dòng)中的串口通信功能會(huì)彈出串口通信機(jī)能的設(shè)置窗口;在窗口中設(shè)定通信時(shí)GX Simulator的串口COM1通信環(huán)境(如COM口、波特率、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、奇偶校驗(yàn)等)。

②易控組態(tài)軟件通信串口設(shè)定:打開(kāi)易控組態(tài)軟件，在工程窗口中設(shè)置選項(xiàng)“I/O通信”，新建一個(gè)串口通道，設(shè)置通信參數(shù)和串口子設(shè)備參數(shù)，令它的通信參數(shù)與GX Simulator的COM1串口通信環(huán)境保持相同。這就為易控設(shè)置了一個(gè)和虛擬PLC通信參數(shù)相同的串口COM2，接下來(lái)只需將兩者互聯(lián)便可實(shí)現(xiàn)通信。

③虛擬PLC與易控的通信連接:通過(guò)VSPM虛擬串口軟件，實(shí)現(xiàn)GX Simulator與易控的連接。VSPM虛擬串口軟件可以將TCP/IP連接、UDP廣播映射成本機(jī)的虛擬COM口，應(yīng)用程序通過(guò)訪問(wèn)虛擬串口，完成遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽?］。若針對(duì)本機(jī)同一IP地址進(jìn)行VSPM傳輸，只需通過(guò)VSPM建立一個(gè)對(duì)應(yīng)GX Simulator的COM1串口和對(duì)應(yīng)易控組態(tài)串口COM2的串口，便可實(shí)現(xiàn)兩應(yīng)用程序之間的虛擬通信。其工作模式如圖2所示。

圖2 VSPM虛擬串口UDP模式工作示意圖Fig.2 Schematic diagram of UDP mode in VSPM

設(shè)置虛擬串口的方法如下。打開(kāi)VSPM軟件，選擇串口建立方式為“默認(rèn)的虛擬串口”，建立相應(yīng)的兩個(gè)COM1和COM2口。其中:UDP接收和發(fā)送地址都設(shè)為本機(jī)IP地址;COM1的接收端口設(shè)為COM2的發(fā)送端口，COM2的發(fā)送端口設(shè)為COM1的接收端口。映射模式選擇UDP廣播模式。

綜上所述，將在GX Developer所編的梯形圖程序下載到GX Simulator運(yùn)行，通過(guò)VSPM在GX Simulator和易控組態(tài)軟件之間進(jìn)行通信連接，并建立基于易控組態(tài)軟件的監(jiān)控界面。

3 虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用

在搭建全虛擬PLC試驗(yàn)平臺(tái)后，還需要完成對(duì)具體PLC控制試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。筆者在系統(tǒng)中集成了一系列的常見(jiàn)試驗(yàn)案例，以下僅以交通燈控制系統(tǒng)為例，說(shuō)明全虛擬PLC試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法和過(guò)程。

1)交通燈控制系統(tǒng)分析與PLC編程調(diào)試。

按照交通燈工作流程要求，在GX Developer編寫(xiě)梯形圖控制程序，將編寫(xiě)好的部分梯形圖程序?qū)懭胩摂MPLC(既啟動(dòng)LLT)，進(jìn)入虛擬仿真調(diào)試，完成交通燈PLC控制系統(tǒng)的編程調(diào)試［6］。

2)采用VSPM虛擬串口軟件，實(shí)現(xiàn)GX Simulator與易控的通信連接。

3)易控組態(tài)軟件的上位監(jiān)控界面設(shè)計(jì)。

易控組態(tài)軟件是一種面向工業(yè)自動(dòng)化的通用數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控的組態(tài)軟件，它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)自動(dòng)化過(guò)程和裝備的監(jiān)視和控制［7］。根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的需要，在易控組態(tài)軟件平臺(tái)進(jìn)行上位監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，模擬PLC的被控對(duì)象，并以動(dòng)畫(huà)形式展示PLC控制對(duì)象的工作過(guò)程。其設(shè)計(jì)步驟如下［8］。

①組建系統(tǒng)工程:首先運(yùn)行易控組態(tài)軟件進(jìn)入組態(tài)畫(huà)面，再分析交通燈控制系統(tǒng)工程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行監(jiān)控的窗口界面設(shè)計(jì)。

②動(dòng)畫(huà)制作:將用戶(hù)窗口中圖形對(duì)象與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)對(duì)象建立相關(guān)連接，并設(shè)置相應(yīng)的動(dòng)畫(huà)屬性。

③運(yùn)行策略:當(dāng)一般的動(dòng)畫(huà)屬性設(shè)置不能滿(mǎn)足要求時(shí)，采用腳本程序，從而在運(yùn)行策略中實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的動(dòng)畫(huà)仿真。

④設(shè)備窗口組態(tài):在易控組態(tài)組態(tài)界面下分別在“I/O通信”與“變量”選項(xiàng)中添加控制量信息，然后進(jìn)行相應(yīng)的通信參數(shù)連接設(shè)置;在“I/O通信”選項(xiàng)中，建立PLC變量和易控組態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)變量之間的連接，使它們之間的邏輯關(guān)系一一對(duì)應(yīng)。

通過(guò)上述步驟，建立了一個(gè)全虛擬的交通燈控制系統(tǒng)。此時(shí)，GX Simulator相當(dāng)于一臺(tái)下載完交通燈控制程序并處于運(yùn)行狀態(tài)的PLC。此時(shí)易控的各種組態(tài)變量數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)通過(guò)VSPM串口通信軟件與PLC寄存器變量建立連接，進(jìn)入易控運(yùn)行界面。該運(yùn)行界面可顯示運(yùn)行監(jiān)控窗口，進(jìn)而生動(dòng)形象地演示了交通燈系統(tǒng)的工作過(guò)程。

4 基于Web功能的遠(yuǎn)程發(fā)布

易控組態(tài)軟件具有Web發(fā)布功能，將運(yùn)行易控的計(jì)算機(jī)作為WebServer，可將易控運(yùn)行工程中的畫(huà)面以網(wǎng)頁(yè)的形式發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上。客戶(hù)端無(wú)需安裝任何軟件，通過(guò)IE瀏覽器就可以訪問(wèn)WebServer易控運(yùn)行工程的畫(huà)面［9］，其相關(guān)設(shè)置和操作如下。

在易控“開(kāi)發(fā)環(huán)境”中，打開(kāi)所對(duì)應(yīng)的工程，點(diǎn)擊“編譯網(wǎng)頁(yè)”，將希望提供給遠(yuǎn)程IE端訪問(wèn)的畫(huà)面生成.xbap格式的網(wǎng)頁(yè)文件，同時(shí)設(shè)置服務(wù)器的名稱(chēng)和通信時(shí)使用的端口號(hào)等參數(shù)。用戶(hù)可在“發(fā)布網(wǎng)頁(yè)”設(shè)置中選擇“選用IIS發(fā)布方式”并進(jìn)行相應(yīng)的配置，再選擇發(fā)布網(wǎng)頁(yè)即可將網(wǎng)頁(yè)發(fā)布。

當(dāng)易控的發(fā)布方將組態(tài)Web發(fā)布完畢，并運(yùn)行組態(tài)軟件以后，用戶(hù)端可以打開(kāi)IE在瀏覽器，在地址欄中輸入“Web發(fā)布的IP地址”和“端口”，瀏覽Web服務(wù)器上的數(shù)據(jù)和畫(huà)面。

該試驗(yàn)平臺(tái)提供了一系列虛擬PLC控制系統(tǒng)供使用者學(xué)習(xí)。在輸入正確的登陸人和登錄密碼以后，遠(yuǎn)程使用者就可以根據(jù)需要選擇和切換不同的試驗(yàn)任務(wù)，進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)的模擬仿真試驗(yàn)。當(dāng)點(diǎn)擊交通燈試驗(yàn)時(shí)將顯示運(yùn)行畫(huà)面。當(dāng)然，還可以對(duì)訪問(wèn)者進(jìn)行權(quán)限的配置。用戶(hù)只有擁有訪問(wèn)權(quán)，才能對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行訪問(wèn)或操作。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所討論的全虛擬的PLC遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，有效地解決了在無(wú)PLC硬件條件下的完整PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試試驗(yàn)問(wèn)題，有利于PLC控制系統(tǒng)教學(xué)的普及和推廣;采用基于組態(tài)軟件的遠(yuǎn)程功能，將PC試驗(yàn)平臺(tái)與各個(gè)試驗(yàn)終端相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了資源共享和教學(xué)之間的互動(dòng)，并向?qū)W生展示了遠(yuǎn)程監(jiān)控的構(gòu)建過(guò)程及其功能。

采用VSPM虛擬串口軟件，實(shí)現(xiàn)虛擬PLC和組態(tài)軟件的連接，這一方法不僅適用于易控，而且適用于大多數(shù)的上位組態(tài)軟件(如MCGS、組態(tài)王、力控等)。該試驗(yàn)體系充分利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了一種集本機(jī)調(diào)試、上下位機(jī)控制及網(wǎng)絡(luò)連接功能于一體的現(xiàn)代試驗(yàn)平臺(tái)，是對(duì)先進(jìn)PLC試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的一次有益嘗試。

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