啟閉機(jī)全虛擬仿真監(jiān)控平臺(tái)開(kāi)發(fā)

游張平，方 征，李天成

（1.麗水學(xué)院工學(xué)院，浙江麗水323000；2.麗水市電業(yè)局，浙江麗水323000）

啟閉機(jī)全虛擬仿真監(jiān)控平臺(tái)開(kāi)發(fā)

游張平1，方 征2，李天成1

（1.麗水學(xué)院工學(xué)院，浙江麗水323000；2.麗水市電業(yè)局，浙江麗水323000）

針對(duì)啟閉機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試工作存在成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、效率低等缺點(diǎn)，基于虛擬仿真技術(shù)，研發(fā)了一套啟閉機(jī)全虛擬仿真監(jiān)控平臺(tái)。給出了平臺(tái)的系統(tǒng)組成與運(yùn)行原理，設(shè)計(jì)了監(jiān)控組態(tài)界面，編寫(xiě)了腳本代碼，建立了虛擬啟閉機(jī)與虛擬PLC控制器的通信，進(jìn)行了仿真調(diào)試。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明：該平臺(tái)無(wú)需實(shí)際的啟閉機(jī)物理控制對(duì)象，也不必受水庫(kù)與氣候環(huán)境等自然環(huán)境的約束，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)啟閉機(jī)監(jiān)控程序的調(diào)試運(yùn)行，克服了真實(shí)被控對(duì)象的缺點(diǎn)，大大降低系統(tǒng)調(diào)試的成本與風(fēng)險(xiǎn)。

PLC；組態(tài)監(jiān)控；調(diào)試實(shí)驗(yàn)；虛擬仿真

啟閉機(jī)作為水庫(kù)和水電站閘門(mén)的起吊設(shè)備，是防洪泄洪的關(guān)鍵設(shè)備，在水利水電工程安全、穩(wěn)定運(yùn)行中發(fā)揮著極其重要的作用[1-2]。啟閉機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)試工作是閘門(mén)能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵[3-5]。傳統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)水庫(kù)或水電站環(huán)境下的啟閉機(jī)調(diào)試工作受氣候環(huán)境、硬件本體等因素約束，存在成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、效率低等缺點(diǎn)。本文借助虛擬仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一套啟閉機(jī)全虛擬仿真監(jiān)控平臺(tái)，可以脫離閘門(mén)啟閉機(jī)與PLC控制器等真實(shí)物理對(duì)象進(jìn)行仿真運(yùn)行與調(diào)試工作。對(duì)啟閉機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與調(diào)試工作，不必受水庫(kù)與氣候環(huán)境等自然環(huán)境的約束，大大降低系統(tǒng)調(diào)試的成本與風(fēng)險(xiǎn)。

1 啟閉機(jī)全虛擬仿真監(jiān)控平臺(tái)的組成及運(yùn)行原理

啟閉機(jī)全虛擬仿真監(jiān)控平臺(tái)主要由虛擬PLC、虛擬啟閉機(jī)與虛擬通訊系統(tǒng)構(gòu)成，分別由GX Developer編程軟件與GXSimulator仿真軟件、MCGS組態(tài)軟件，以及MXOPCServer軟件等來(lái)構(gòu)建，如圖1所示。

其中，被控對(duì)象虛擬啟閉機(jī)通過(guò)MCGS組態(tài)軟件構(gòu)建，虛擬PLC控制器由GX Simulator仿真軟件構(gòu)建；虛擬啟閉機(jī)與虛擬PLC控制器之間的通訊通過(guò)MXOPC服務(wù)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)操作虛擬啟閉機(jī)界面上的輸入元件（如按鈕或開(kāi)關(guān)）或通過(guò)變量的動(dòng)態(tài)變化模擬氣候變化時(shí)，虛擬PLC控制器便通過(guò)MX OPC Server軟件獲得相應(yīng)輸入元件的狀態(tài)變化，通過(guò)執(zhí)行PLC程序得到各輸出元件的輸出狀態(tài)，并通過(guò)MX OPCServer軟件執(zhí)行輸出刷新，虛擬啟閉機(jī)則執(zhí)行相應(yīng)的刷新動(dòng)作。當(dāng)虛擬啟閉機(jī)的動(dòng)作與預(yù)期的不一致時(shí)，便可不斷修改程序，直至完全一致為止，從而實(shí)現(xiàn)啟閉程序的調(diào)試工作不必受到啟閉機(jī)、PLC控制器等硬件與氣候條件的約束。

圖1 啟閉機(jī)全虛擬仿真監(jiān)控平臺(tái)

2 啟閉機(jī)控制系統(tǒng)全虛擬調(diào)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

2.1 水閘啟閉PLC控制程序開(kāi)發(fā)

根據(jù)某小型水庫(kù)電氣控制要求，綜合分析確定，系統(tǒng)至少需要8個(gè)輸入點(diǎn)和5個(gè)輸出點(diǎn)，如表1所示。為預(yù)留一定的I/O點(diǎn)裕度，這里選用PLC型號(hào)為FX2N-32MR。

表1 I/O地址分配表

限于篇幅，以水閘高低速人工轉(zhuǎn)換控制為例，介紹PLC梯形圖控制程序開(kāi)發(fā)。當(dāng)系統(tǒng)處于人工控制階段時(shí)，按下正轉(zhuǎn)按鈕，上升行程開(kāi)關(guān)運(yùn)行，按下低速按鈕時(shí)，水閘低速上升，當(dāng)按下中速按鈕時(shí)，低速關(guān)閉，水閘中速上升，按下高速按鈕時(shí)，水閘高速上升，如圖2所示。

圖2 水閘高低速人工轉(zhuǎn)換控制梯形圖程序

2.2 虛擬水庫(kù)構(gòu)建

點(diǎn)擊“主控窗口”的“新建窗口”，建立并編輯窗口。在編輯虛擬水庫(kù)界面時(shí)，可以在工具箱中通過(guò)導(dǎo)入自帶的元器件來(lái)進(jìn)行編輯。也可以通過(guò)工具箱自己繪圖，最終建立好的虛擬水庫(kù)界面，如圖3所示。

圖3 虛擬水庫(kù)界面

動(dòng)畫(huà)連接：為體現(xiàn)水庫(kù)閘門(mén)和水位上升、下降等動(dòng)作，需要設(shè)置圖3中的水庫(kù)水面和閘門(mén)等部件的動(dòng)畫(huà)組態(tài)屬性設(shè)置。以蓄水和閘門(mén)下降為例，設(shè)置操作如下：雙擊“閘門(mén)”，勾選“垂直移動(dòng)”，在“垂直移動(dòng)”選項(xiàng)卡，設(shè)置數(shù)據(jù)變量b，設(shè)置最大移動(dòng)量、最大百分比、最小移動(dòng)量及最小百分比分別為100、100、0、0。編寫(xiě)閘門(mén)下降移動(dòng)腳本程序如下，當(dāng)水位在安全水位以下時(shí)，水閘開(kāi)始低速下降，當(dāng)水閘閉合時(shí)，水位開(kāi)始緩慢上升，系統(tǒng)開(kāi)始蓄水：

3 通信設(shè)置

在 MX OPC Server中設(shè)置“ PC side I/F”為“GX Simulator”、“CPU type”為“FX2N(C)”，并將變量與虛擬PLC的I/O口一一對(duì)應(yīng)，如變量I_X1對(duì)應(yīng)PLC的x1輸入端口等；在MCGS中設(shè)置OPC服務(wù)器為“Mitsubish.MXOPC.4，建立通信連接，如圖4所示。

圖4 通信設(shè)置

4 虛擬調(diào)試

依次啟動(dòng)GXDeveloper、GXSimulator、MXOPCServer、MCGS，操作虛擬水庫(kù)界面上的按鈕或開(kāi)關(guān)，觀察水庫(kù)水面和閘門(mén)的移動(dòng)及指示燈顏色的變化等。如果虛擬啟閉機(jī)閘門(mén)的動(dòng)作與預(yù)期的不一致時(shí)，便可不斷修改程序，直至完全一致為止，從而實(shí)現(xiàn)啟閉程序的調(diào)試工作，不會(huì)受到啟閉機(jī)、PLC控制器等硬件與氣候等其它條件的影響。

5 結(jié)論

（1）將全虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于啟閉機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)試中。構(gòu)建的全虛擬調(diào)試平臺(tái)無(wú)需實(shí)際的閘門(mén)啟閉機(jī)物理控制對(duì)象，也不必受水庫(kù)與氣候環(huán)境等自然環(huán)境的約束，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)啟閉機(jī)監(jiān)控程序的運(yùn)行調(diào)試，降低調(diào)試的成本與風(fēng)險(xiǎn)。

（2）該平臺(tái)除了應(yīng)用于工程生產(chǎn)實(shí)踐外，還可應(yīng)用于“可編程控制器”“工控組態(tài)軟件”等相關(guān)課程的教學(xué)，作為學(xué)生形象生動(dòng)的教學(xué)案例，解決實(shí)驗(yàn)控制對(duì)象不足、程序運(yùn)行結(jié)果抽象等問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力的提高。

［1］陳林.自動(dòng)化控制在啟閉機(jī)電控的應(yīng)用［J］.企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，2012（23）：47.

［2］李懷玉.閘門(mén)啟閉機(jī)運(yùn)行與管理［J］.河南水利與南水北調(diào)，2014（24）：55.

［3］查六一，邵建龍，周玉巖，等.基于S7-200PLC的閘門(mén)卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.水電能源科學(xué)，2010（3）：127.

［4］盧俊.閘門(mén)啟閉機(jī)電氣控制系統(tǒng)實(shí)施PLC改造方案分析［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2015（13）：27.

［5］王超，彭翔鵬，吳錚.泄水閘弧門(mén)啟閉機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行安全分析與改造：以漢江興隆水利樞紐為例［J］.人民長(zhǎng)江，2015（9）：91.

The Development of Full-Virtual Simulation Monitoring Platform of Hoist

YOUZhangping1，F(xiàn)ANGZheng2，LI Tiancheng1
（1.FacultyofEngineering，Lishui University，Lishui 323000，Zhejiang；2.Lishui Electric Power Bureau，Lishui 323000，Zhejiang）

Considering the high cost and poor efficiency of hoist monitoring system debugging,full-virtual simulation monitoring platform was developed，based on virtual simulation technology.The composition and the operating principle were given，the monitoring configuration interface was designed，the script code was compiled，the communication between virtual hoist and virtual PLC was established，and the simulation system was debugged.The results of the practical application show that the platform can debug hoist monitoring program without actual hoist and won’t suffer from the restraints of climatope，and thus greatly reduce the cost and risk of system debugging.

PLC；configuration monitoring；experiment teaching；virtual simulation

10.3969/j.issn.2095-3801.2017.05.015

TP391.9

A

2095-3801（2017）05-0088-05

2017-01-22；

2017-02-27

浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究項(xiàng)目“金屬帶鋸床實(shí)時(shí)在線狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用”（2016C31053）；麗水市高層次人才培養(yǎng)項(xiàng)目“內(nèi)嵌于現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的帶鋸床振動(dòng)故障檢測(cè)技術(shù)研究及應(yīng)用”（2015RC28）；浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目“擺動(dòng)尖頂推桿盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)CAD系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”（2016R431002）

游張平，男，福建壽寧人，副教授，博士。