基于組態(tài)軟件的全虛擬PLC教學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

◆王寶林

基于組態(tài)軟件的全虛擬PLC教學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

◆王寶林

提出基于Kingview組態(tài)軟件及GX Simulator、MX OPC sever的全虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)方案。教學(xué)實(shí)踐表明，全虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用，拓展了學(xué)生學(xué)習(xí)的時(shí)間與空間，對提高學(xué)生的PLC應(yīng)用水平起到積極的作用。

PLC；組態(tài)王軟件；全虛擬模式；OPC；教學(xué)系統(tǒng)

1 利用組態(tài)軟件開發(fā)的PLC仿真教學(xué)系統(tǒng)

PLC課程教學(xué)現(xiàn)狀 可編程邏輯控制器（PLC）應(yīng)用廣泛，是職業(yè)院校機(jī)電類專業(yè) 的一門核心主干課程。PLC編程知識(shí)的鞏固需要精講多練，需要搭建良好的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，多開設(shè)與工業(yè)實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。而實(shí)際情況卻因?yàn)槭艿綀鏊?、設(shè)備、資金等諸多客觀條件的限制，各學(xué)校難以在實(shí)訓(xùn)室配備大量的實(shí)物工控設(shè)備，導(dǎo)致PLC教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備在種類和數(shù)量上難以滿足教學(xué)要求，影響了PLC教學(xué)的效果。

基于組態(tài)軟件的PLC仿真教學(xué)系統(tǒng) 組態(tài)控制技術(shù)（Supervision Control and Data Acquisition）常用于工業(yè)控制系統(tǒng)的監(jiān)控，它為用戶提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、流程控制、動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、報(bào)表輸出等操作工具，常用于生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。組態(tài)軟件具有成熟的I/O接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)，可以與各類型PLC進(jìn)行通訊，PLC內(nèi)部各種繼電器的狀態(tài)可以與組態(tài)軟件數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)鏈接，這些數(shù)據(jù)又與界面上顯示的圖形對象有關(guān)聯(lián)。這樣在PLC編程調(diào)試過程中，可以利用組態(tài)軟件的組態(tài)動(dòng)畫代替PLC控制對象，在計(jì)算機(jī)屏幕上觀察PLC控制系統(tǒng)的控制過程和結(jié)果[1]。

用組態(tài)軟件制作的仿真被控對象，可以像實(shí)物被控對象一樣，既可以向PLC發(fā)出如開關(guān)控制信號、傳感器信號、中斷信號等各種命令信號，也可以接受PLC發(fā)出的輸出信號、脈沖信號和各種數(shù)值信號等控制信號，并且能與PLC進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的傳輸，從而反映出PLC與組態(tài)虛擬對象及控制結(jié)果之間的關(guān)系。利用組態(tài)軟件的這些功能，可以開發(fā)出各種虛擬的工業(yè)控制模型，用于PLC課程教學(xué)的編程調(diào)試。

組態(tài)軟件教學(xué)系統(tǒng)優(yōu)勢 利用組態(tài)軟件三維虛擬空間進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以模擬出多種真實(shí)場景，如立體倉庫控制系統(tǒng)、傳輸計(jì)件控制系統(tǒng)、售貨機(jī)系統(tǒng)、機(jī)械手控制系統(tǒng)、電梯控制系統(tǒng)等。組態(tài)虛擬對象能以按扭、滑動(dòng)標(biāo)尺、數(shù)值輸入等方式向PLC發(fā)出各種命令及輸入各種參數(shù)，也可以通過界面輸出顯示PLC各個(gè)變量的值以及狀態(tài)[2]。所以用組態(tài)軟件構(gòu)建的教學(xué)系統(tǒng)還可以仿真觸摸屏控制，學(xué)生可以在組態(tài)軟件開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行觸摸屏界面開發(fā)，利用組態(tài)軟件豐富的圖形庫對象，可以構(gòu)建出比真實(shí)觸摸屏更直觀生動(dòng)的控制畫面。

如圖1所示，用組態(tài)軟件構(gòu)建的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，達(dá)到與真實(shí)觸摸屏一樣的控制效果，其中包括對步進(jìn)電機(jī)的速度、運(yùn)行步數(shù)設(shè)置（設(shè)置PLC數(shù)據(jù)寄存器值），對已運(yùn)行的步數(shù)進(jìn)行顯示（輸出PLC數(shù)據(jù)寄存器值），同時(shí)步進(jìn)電機(jī)模型可以動(dòng)態(tài)地展示步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，教學(xué)效果非常好。

基于組態(tài)軟件的PLC教學(xué)系統(tǒng)，可以很方便地仿真出各種工業(yè)控制效果，給編程和調(diào)試帶來很大方便。在沒有增加硬件成本的情況下，解決了PLC編程控制對象的問題，提供了足夠的工位給予學(xué)生編程學(xué)習(xí)。相比較于真實(shí)工控設(shè)備的PLC教學(xué)系統(tǒng)，虛擬的仿真系統(tǒng)控制對象更加豐富，教學(xué)內(nèi)容也更豐富，擴(kuò)展了學(xué)生的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

連接真實(shí)PLC硬件仿真系統(tǒng)的不足 基于組態(tài)軟件的實(shí)物PLC仿真教學(xué)系統(tǒng)，雖然虛擬出了PLC被控對象，但仍需要真實(shí)的PLC與組態(tài)軟件連接。這樣，PLC課程的編程實(shí)驗(yàn)常局限于實(shí)訓(xùn)室，時(shí)間局限于正常上課時(shí)間。本文提出一種基于組態(tài)王（Kingview）組態(tài)軟件和GX Simulator的全虛擬仿真系統(tǒng)方案，虛擬PLC、虛擬被控對象的全虛擬教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了更少硬件投入、應(yīng)用更方便的目的。

2 全虛擬的PLC教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成

全虛擬仿真系統(tǒng)連接框圖如圖2所示，采用GX Developer作為編程平臺(tái)，將編制好的梯形圖程序?qū)懭隚X Simulator，GX Simulator作為一個(gè)模擬PLC運(yùn)行的虛擬控制器[3]。通過三菱的OPC服務(wù)軟件與組態(tài)王OPC服務(wù)器組成虛擬的通信接口，實(shí)現(xiàn)PLC程序控制組態(tài)實(shí)訓(xùn)畫面運(yùn)行，完成控制對象的控制，從而實(shí)現(xiàn)全虛擬方式的運(yùn)行。

圖1 步進(jìn)電機(jī)實(shí)訓(xùn)頁面（仿真觸摸屏控制）

圖2 全虛擬方式PLC仿真系統(tǒng)連接框圖

GX Simulator和組態(tài)王軟件通過MX OPC server進(jìn)行通信連接，建立基于組態(tài)王軟件的監(jiān)控界面和GX Simulator的對應(yīng)信息交互，實(shí)現(xiàn)PLC仿真運(yùn)行與虛擬控制設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系，在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)PLC編程調(diào)試功能。

1）GX Simulator。GX Simulator是三菱公司開發(fā)的一款梯形圖仿真調(diào)試工具軟件，在安裝有GX Developer的計(jì)算機(jī)內(nèi)追加安裝GX Simulator，能夠?qū)崿F(xiàn)程序的仿真調(diào)試。GX Simulator可模擬可編程控制器CPU本體功能，可以使得程序的調(diào)試脫離真實(shí)PLC，實(shí)現(xiàn)不在線調(diào)試。使用GX Simulator能夠在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行順控程序的開發(fā)和調(diào)試，能夠更有效地進(jìn)行順控程序修正后的確認(rèn)。另外，GX Simulator還具有模擬I/O系統(tǒng)設(shè)定以及串行通信等其他功能[4]。

2）OPC技 術(shù)。OPC（OLE for Process Control） 即OLE用于工業(yè)過程控制，是在工業(yè)控制和生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域中使用的硬件和軟件的接口標(biāo)準(zhǔn)。OPC技術(shù)通常在數(shù)據(jù)采集軟件中廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在眾多硬件廠商提供的產(chǎn)品均帶有標(biāo)準(zhǔn)OPC接口。OPC實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序和工業(yè)控制設(shè)備之間高效、靈活的數(shù)據(jù)讀寫，借助Microsoft的DCOM（分散式組件對象模型）技術(shù)，OPC實(shí)現(xiàn)了高性能的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問能力，從而使得工業(yè)控制軟件之間的數(shù)據(jù)交換更加方便[5]。

3）MX OPC sever。MX OPC sever是由三菱公司開發(fā)的一套符合OPC規(guī)范的程序組。MX OPC Server自帶OPC客戶端工具，可直接讀寫PLC數(shù)據(jù)；支持三菱所有系列的PLC，支持三菱仿真軟件GX simulator，支持的接口有編程口、串口、以太網(wǎng)口、CC-link等；兼容多種高級語言，諸如 Visual C++、Visual Basic和 Access Excel的 VBA、VBScript等。

4）組態(tài)王與OPC。組態(tài)王作為一個(gè)通用的工控軟件平臺(tái)，提供開放式的通訊接口，如OPC、DDE、通用總線協(xié)議驅(qū)動(dòng)接口等。組態(tài)王作為OPC客戶端可以同時(shí)掛接多個(gè)OPC服務(wù)器，每個(gè)OPC服務(wù)器都被看作一個(gè)外部設(shè)備。同時(shí)，組態(tài)王本身也可以充當(dāng)OPC服務(wù)器，向其他符合OPC規(guī)范的廠商的控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。組態(tài)王還能與其他支持OPC功能的軟件（如其他廠商的組態(tài)軟件、三菱OPC Server軟件）建立連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換[6]。OPC與其他軟件的連接可以通過本機(jī)的OPC進(jìn)行（組態(tài)王和其他軟件安裝于同一臺(tái)計(jì)算機(jī)），也可以是通過網(wǎng)絡(luò)的OPC連接。組態(tài)王的這些功能可以方便用戶在工程項(xiàng)目中輕松實(shí)現(xiàn)不同軟件之間的集成和數(shù)據(jù)傳輸。

3 全虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)及通信配置

在PC機(jī)端依次安裝GX Developer、GX Simulator、MX OPC sever、組態(tài)王軟件。這里以三層電梯控制系統(tǒng)為例，介紹全虛擬系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

MX OPC sever設(shè)置

1）創(chuàng)建設(shè)備：全虛擬仿真系統(tǒng)的OPC通信方式中，MX OPC sever作為OPC服務(wù)器端，組態(tài)王作為OPC客戶端。打開MX OPC Configurator，在“PC side I/F”項(xiàng)選擇GX simulator，PLC類型選擇FX2N（C），創(chuàng)建數(shù)據(jù)文件，并在文件中創(chuàng)建新的設(shè)備。

2）定義數(shù)據(jù)項(xiàng)：在新建的設(shè)備中添加數(shù)據(jù)群組，并在群組里添加電梯實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目所需的所有數(shù)據(jù)項(xiàng)，并將數(shù)據(jù)項(xiàng)名稱改成與PLC相對應(yīng)的變量名，如PLC輸入端口的“X0”，輸出端口的“Y0”等。新建好所有數(shù)據(jù)項(xiàng)后，退出MX OPC sever時(shí)，在彈出的窗口中選擇剛才新建的設(shè)備為當(dāng)前活動(dòng)的數(shù)據(jù)設(shè)備。

電梯實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)組態(tài)畫面開發(fā)

1）創(chuàng)建電梯仿真系統(tǒng)工程，并進(jìn)行相應(yīng)通信配置。電梯實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目要求在連接真實(shí)PLC和全虛擬方式下都能運(yùn)行，所以還需添加連接實(shí)物PLC的硬件設(shè)備，并進(jìn)行相應(yīng)的通訊設(shè)置。在工程瀏覽器下，設(shè)置設(shè)備接口COM1，選擇COM1端口連接FX2系列編程口，并設(shè)置通訊參數(shù)：波特率9600 bps，偶校驗(yàn)，7位數(shù)據(jù)位，1位停止位，RS232通信方式。

2）添加三層電梯系統(tǒng)工程開發(fā)需要的變量，包括內(nèi)存變量和I/O變量。

3）按照電梯系統(tǒng)工程要求制作監(jiān)控畫面，選定相關(guān)圖形對象，通過定義動(dòng)畫并使靜態(tài)畫面隨著過程控制對象產(chǎn)生動(dòng)態(tài)效果。

4）三層電梯系統(tǒng)相對比較復(fù)雜，通過對圖形畫面腳本程序的編寫以完成較復(fù)雜的操作上位控制。

三層電梯PLC編程實(shí)訓(xùn)組態(tài)畫面如圖3所示。

組態(tài)王OPC通訊配置

1）OPC服務(wù)器設(shè)置。如圖4所示，打開三層電梯實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)工程，在組態(tài)王工程瀏覽器窗口中，選擇設(shè)備項(xiàng)目中“OPC服務(wù)器”項(xiàng)，在右側(cè)窗口中雙擊“新建OPC”圖標(biāo)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)搜索本計(jì)算機(jī)中已經(jīng)安裝的OPC服務(wù)器，并將搜索到的所有OPC服務(wù)器顯示于窗口右側(cè)。此處選擇三菱GX OPC sever創(chuàng)建的Mitsubishi.MXOPC.4 OPC服務(wù)器進(jìn)行連接，完成OPC設(shè)備的建立。

圖3 三層電梯PLC編程實(shí)訓(xùn)組態(tài)畫面

圖4 OPC服務(wù)器連接設(shè)置

圖5 全虛擬方式數(shù)據(jù)詞典的設(shè)置

2）組態(tài)王數(shù)據(jù)詞典的連接。OPC服務(wù)器與組態(tài)王數(shù)據(jù)詞典的連接設(shè)置方式與實(shí)物PLC數(shù)據(jù)詞典的設(shè)置方式相同。如圖5所示，在組態(tài)王工程瀏覽器中點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)變量”，在右側(cè)窗口中選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)變量。如對于組態(tài)工程的I/O變量X1，在“連接設(shè)備”選項(xiàng)選擇Mitsubishi.MXOPC.4設(shè)備，然后在“寄存器”選項(xiàng)下拉菜單中選擇對應(yīng)數(shù)據(jù)項(xiàng)“X1”，設(shè)置好數(shù)據(jù)的類型和讀寫屬性，即可實(shí)現(xiàn)OPC服務(wù)器與組態(tài)王數(shù)據(jù)詞典的連接。此時(shí)，虛擬PLC的X1端口數(shù)據(jù)便與組態(tài)王的X1數(shù)據(jù)變量實(shí)現(xiàn)了對應(yīng)。

電梯實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在全虛擬方式以及連接實(shí)物PLC方式都可以運(yùn)行，如果選擇連接真實(shí)PLC編程調(diào)試，則數(shù)據(jù)詞典中相應(yīng)數(shù)據(jù)變量連接設(shè)備選擇“新I/O設(shè)備”，“新I/O設(shè)備”創(chuàng)建工程時(shí)定義為COM1口的三菱FX2編程口。此時(shí)實(shí)訓(xùn)頁面的數(shù)據(jù)與三菱FX2編程口進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈接，即可連接實(shí)物PLC進(jìn)行編程實(shí)訓(xùn)。

全虛擬系統(tǒng)的運(yùn)行 應(yīng)用時(shí)，打開GX Developer，編寫電梯PLC控制程序并點(diǎn)擊梯形圖邏輯測試啟動(dòng)（Ladder logic test，LLT），此時(shí)梯形圖程序下載至GX Simulator，此時(shí)GX Simulator即相當(dāng)于虛擬PLC，且虛擬PLC自動(dòng)置RUN狀態(tài)；然后打開組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)入電梯實(shí)訓(xùn)仿真頁面，此時(shí)實(shí)訓(xùn)仿真頁面與虛擬PLC便自動(dòng)建立連接，即可觀察程序控制電梯運(yùn)行的效果，以進(jìn)行程序的調(diào)試與修改。系統(tǒng)使用時(shí)不需要打開MX OPC server軟件，組態(tài)王軟件也不必再進(jìn)行設(shè)置，應(yīng)用非常方便。

4 全虛擬PLC教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用

全虛擬PLC教學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)勢 全虛擬的教學(xué)系統(tǒng)無需投入任何硬件設(shè)施，也不需要任何維護(hù)費(fèi)用，提供了高性價(jià)比的學(xué)習(xí)模式；應(yīng)用時(shí)等同于實(shí)物PLC實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，不需要繁瑣的設(shè)置過程，非常方便；全虛擬方式徹底擺脫了實(shí)訓(xùn)室，實(shí)現(xiàn)了只需一臺(tái)計(jì)算機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)高水平PLC編程實(shí)訓(xùn)，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容不受實(shí)訓(xùn)室設(shè)備的限制；編程練習(xí)不僅限于實(shí)訓(xùn)室上課時(shí)間，學(xué)生在課后可以利用自己的計(jì)算機(jī)隨時(shí)隨地進(jìn)行編程練習(xí)，在學(xué)習(xí)的時(shí)間和空間上進(jìn)行了最大限度的延伸。實(shí)踐教學(xué)效果表明，全虛擬仿真系統(tǒng)的應(yīng)用，對鞏固學(xué)生所學(xué)編程知識(shí)、提高學(xué)生的PLC應(yīng)用水平起到積極的作用。

全虛擬PLC教學(xué)系統(tǒng)的不足

1）因GX simulator對部分編程指令不支持，對于三菱FX系列，數(shù)據(jù)刷新指令和PID控制等指令不能使用，不支持的指令GX simulator作為NOP處理。

2）組態(tài)王與三菱OPC服務(wù)器之間的通信連接，不支持I/O整數(shù)、實(shí)數(shù)類型的數(shù)據(jù)通信。在全虛擬方式中，組態(tài)王不能讀寫PLC內(nèi)部整數(shù)、實(shí)數(shù)類型數(shù)據(jù)，在只有I/O離散類型數(shù)據(jù)通訊的三層電梯教學(xué)系統(tǒng)中，全虛擬方式和實(shí)物PLC方式應(yīng)用沒有區(qū)別。

對于圖例1的步進(jìn)電機(jī)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，需要通過仿真觸摸屏頁面向PLC數(shù)據(jù)寄存器D寫入數(shù)據(jù)，以設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行步數(shù)或步進(jìn)間隔等值，另外還需通過讀取PLC數(shù)據(jù)寄存器D中的數(shù)值以顯示步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的步數(shù)。在全虛擬方式中，因?yàn)閿?shù)據(jù)通訊類型不支持，這部分功能將不能實(shí)現(xiàn)，而這些功能在組態(tài)仿真系統(tǒng)連接真實(shí)PLC的情況下可順利實(shí)現(xiàn)。

[1]王寶林.基于組態(tài)軟件的PLC仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].輕工科技,2013(5):111-112.

[2]王春.基于組態(tài)軟件的PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)[D].四川:西華大學(xué),2009:1-10.

[3]鄭敏,鄭萍.全虛擬PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及教學(xué)應(yīng)用[J].高等教育研究,2011(3):51-53.

[4]三菱電機(jī)有限公司.GX Developer Ver.8/ Simulator Ver.6 操作手冊[M].2008.

[5]魏洪新.OPC技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].河北煤炭,2009(1):12.

[6]北京亞控科技發(fā)展公司.組態(tài)王中級培訓(xùn)教程[EB/OL].[2012-01-31].http://wenku.baidu.com/view/511059ebaeaad1f 346933fcd.html.

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1671-489X(2014)08-0042-04

10.3969/j.issn.1671-489X.2014.08.042

作者：王寶林，肇慶市工程技術(shù)學(xué)校電子講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)仿真教學(xué)（526070）。