三菱FX系列PLC仿真教學系統(tǒng)的設計及通訊構建

王寶林

（肇慶市工程技術學校，廣東 肇慶 526070）

本文介紹有關三菱系列PLC仿真教學系統(tǒng)構建，仿真系統(tǒng)組成如圖1所示，分為3個部分，第一部分是基于組態(tài)軟件開發(fā)的并結合實訓設備廠商設備的虛實結合的仿真系統(tǒng)，適合在校學生的教學；第二部分是在前面虛實結合的仿真實訓系統(tǒng)基礎上，利用PLC仿真器和虛擬串口結合，使之成為完全脫離硬件的全虛擬系統(tǒng)，適合線上教學過程中沒有硬件系統(tǒng)的學員編程學習；第三部分是通過構建FactoryⅠO虛擬工廠與三菱系列PLC的通訊，構建三菱系列虛擬工廠PLC實訓系統(tǒng)，組態(tài)軟件此時作為虛擬工廠實訓系統(tǒng)的人機界面，拓展虛擬工廠實訓系統(tǒng)的功能，內容適合高職學生學習以及做畢業(yè)設計。仿真場景的運行。在仿真系統(tǒng)中完成編程調試后，也可以通過PLC的ⅠO端口直接連接設備廠商真實被控對象，進行PLC外圍電路安裝調試練習。圖2是為YL-235設備開發(fā)的實訓場景，用仿真實訓場景可以完成整個YL-235設備程序初步調試工作，連接真實YL-235設備時，只需微調程序即可，實訓設備多數(shù)時間只用于接線安裝練習，這樣可以較好地解決工位不足的問題。在連接真實外圍設備運行時，組態(tài)畫面可以實現(xiàn)真實被控模型同步運行，可以起到監(jiān)視以及輸入控制的作用，這種虛實結合的仿真教學系統(tǒng)非常適合在校生PLC課程的學習。

圖1 仿真系統(tǒng)通訊方式及組成框圖

圖2 虛實結合的YL-235分揀系統(tǒng)

1 基于KingView組態(tài)軟件的虛實結合PLC仿真教學系統(tǒng)

組態(tài)軟件KingView具有成熟的ⅠO接口設備驅動，可以與各類型PLC進行通訊，PLC內部各種繼電器的狀態(tài)可以與組態(tài)軟件數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的鏈接，這些數(shù)據(jù)又與界面上顯示的圖形對象有關聯(lián)，利用組態(tài)軟件三維虛擬空間進行設計，可以模擬出多種PLC控制場景[1]。本例中，將近40個PLC控制場景集合在KingView的同一組態(tài)工程，通過實訓項目選擇菜單頁面方便地切換各個實訓場景，使用非常方便。實訓項目根據(jù)實訓室真實的被控對象開發(fā)，如搶答器、機械手、交通燈、四層電梯、YL-235分揀機構、立體倉庫等，學生完成編程后，下載至PLC，由真實PLC控制

2 基于KingView組態(tài)軟件的仿真教學系統(tǒng)全虛擬方式的實現(xiàn)

在開展線上教學時，線上學習的學員們常會因為沒有PLC硬件設備，沒辦法跟著教師進行PLC課程編程設計學習，所以下面介紹完全脫離硬件的全虛擬仿真系統(tǒng)實現(xiàn)。

脫離PLC硬件，程序的運行需要仿真器，三菱GX-works2自帶的仿真器有很難跟第三方軟件通訊的缺點，本例中采用了凌—PLC模擬器來實現(xiàn)PLC模擬運行。凌—PLC模擬器是一款針對三菱FX系列PLC設備制作的一款免費的模擬軟件。凌—PLC模擬器要求系統(tǒng)中需要安裝Microsoft.Framework net 4.6.2及以上版本運行庫，另外需安裝虛擬串口軟件，本例中安裝了VSPD虛擬串口軟件。該模擬器能夠模擬PLC設備的運行控制操作，PLC模擬器與PLC實體PLC實現(xiàn)代碼完全一致。另外具有強大的Modbus通信功能，高速脈沖模擬功能，模擬量控制仿真功能。程序運行過程中可非常方便地對軟元件監(jiān)視、置位、數(shù)值輸入等操作，比GX-works2仿真器更方便。但凌—PLC模擬器不支持Q系列PLC、不支持標簽結構化編程的仿真。

通訊連接設置如圖3所示，PLC模擬器有2組串行通訊接口與外界通訊，一組是下載口，一組是擴展通訊口。這里用了下載口虛擬串口（COM10）與GX-works2通訊，通過擴展通訊虛擬串口（COM2）與KingView組態(tài)仿真系統(tǒng)通訊。所有的PLC下載以及監(jiān)視等過程均與實際PLC操作一致，程序運行時不需要啟動三菱編程軟件的模擬運行，打開PLC模擬器的運行按鍵即可，運行效果與真實PLC效果一致。

圖3 凌—PLC模擬器通訊端口連接圖

虛擬串口軟件的安裝使用：VSPD（Virtual Serial Ports Driver）虛擬串口軟件是由Eltima軟件公司設計的虛擬串口軟件，使用方便且穩(wěn)定。VSPD會自動識別出本臺計算上有幾個物理串口，并可以添加虛擬端口。虛擬端口一定是成對出現(xiàn)的。在這里虛擬了2對虛擬串口，COM10和COM11為一對，COM10已設置連接PLC模擬器，Gx-works2編程軟件選擇COM11。它們通過這一對虛擬串口建立通訊，此時程序寫入和運行都是在PLC仿真器里進行。Gx-works2編的程序如果需要寫入實物PLC，則要選擇物理串口COM3。另外一對虛擬串口為COM1和COM2，其中COM2已連接PLC模擬器，組態(tài)軟件的仿真系統(tǒng)通訊接口則選擇COM1，PLC模擬器通過這一對虛擬串口通訊。組態(tài)仿真系統(tǒng)如果是連接實物PLC的控制系統(tǒng)，則需要選擇物理串口。虛擬串口的設置如圖4所示。

圖4 虛擬串口的設置

KingView的通訊參數(shù)設置：設置連接FX系列編程口，端口號COM1，波特率9 600，數(shù)據(jù)位7，停止位1，偶校驗。GX-works2設置端口號COM11同樣的通訊參數(shù)。編程軟件、PLC仿真器，KingView仿真教學系統(tǒng)工程通過2對虛擬串口相互通訊。通過PLC模擬器控制虛擬的仿真系統(tǒng)，可以讓教學系統(tǒng)完全脫離硬件，實現(xiàn)了只需計算機就可以實現(xiàn)隨時隨地編程學習。如圖2中的YL-235分揀系統(tǒng)以及圖5的立體倉庫系統(tǒng)，既可連接實際硬件設備安裝調試，也可以完全脫離工控硬件設備進行程序編寫與調試學習。

圖5 立體倉庫全虛擬系統(tǒng)運行

3 3D虛擬工廠通信實現(xiàn)以及在整個仿真系統(tǒng)中的結合應用

FactoryⅠO是一款蘊含了工業(yè)系統(tǒng)搭建、PLC編程PLC控制系統(tǒng)調試等技能訓練的PLC交互式教學仿真軟件，允許用戶通過拖拽的方式簡單快捷地創(chuàng)建3D工業(yè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)可被各種外部技術控制，成為一個虛擬的被控對象，是一款非常好的開展PLC技術專業(yè)課教學、實訓的輔助工具[2]。FactoryⅠO可以較好地跟西門子博途軟件兼容，其驅動可以直接選擇連接西門子系列PLC，這款工業(yè)系統(tǒng)虛擬軟件在西門子系列PLC教學中應用比較廣泛，但在三菱系列PLC教學中應用案例極少。主要原因是三菱PLC與FactoryⅠO的通訊問題，三菱GX自帶仿真器極難與第三方軟件通訊。

這里提供了一種解決方案，不使用GX仿真器，利用MODBUS/TCP協(xié)議使凌—PLC仿真器與FactoryⅠO建立通訊。MODBUS/TCP是作為一種（實際的）自動化標準發(fā)行的，Modbus協(xié)議是一種已被廣泛應用于當今工業(yè)控制領域的通用通訊協(xié)議，通過此協(xié)議，控制器相互之間或控制器經(jīng)由網(wǎng)絡（如以太網(wǎng)）可以和其他設備之間進行通訊[3]。PLC模擬器自帶Modbus TCP通訊功能，可通過該協(xié)議訪問到三菱PLC所有內部軟元件。FactoryⅠO驅動選擇Modbus TCP這項內容，可通過Modbus TCP通訊協(xié)議與仿真器建立通訊，從而實現(xiàn)三菱系列PLC通過FactoryⅠO進行工業(yè)控制系統(tǒng)的編程訓練。

PLC模擬器端具體設置：TCP端口選擇502，并打開偵聽，如圖3所示。

三菱PLC軟元件在Modbus訪問對應的地址編號如表1所示。

表1 三菱PLC軟元件在Modbus訪問對應的地址編號

FactoryⅠO的設置：Modbus TCP/ⅠP中，服務器是從機，而客戶端是主機，這里FactoryⅠO作為服務器，端口驅動選擇Modbus TCP/ⅠP Client，因為通訊回路都是本機，所以主機ⅠP地址設置為127.0.0.1本地回環(huán)地址，從站ⅠD選擇1，端口選擇502。

以FactoryⅠO實訓場景物料稱重分揀系統(tǒng)為例，闡述具體場景端口設置過程：稱重分揀系統(tǒng)分別需要用到14個輸入和14個輸出端口，這個例子中分配了三菱PLC的M0～M13作為傳感器檢測和控制信號輸入，因為X輸入端正常情況下不能改寫輸入狀態(tài)，即使用了在Modbus TCP下可以改寫的端口，還是會出現(xiàn)X端子信號不能穩(wěn)定置1的情況。虛擬系統(tǒng)的編程調試過程中輸入端子用M端代替更合適。查詢三菱PLC軟元件位元件在Modbus對應地址，如表1所示，位元件M0的Modbus地址為2048，在FactoryⅠO驅動設置頁面點擊配置，在服務器端口設置時設置數(shù)字輸入偏移地址為2048，計數(shù)14，這樣就添加了M0～M13共14個位元件到輸入端口。查詢表1中位元件Y0對應Modbus地址為1280，設置數(shù)字輸出偏移地址為1280，計數(shù)14，這樣就添加了Y0～Y15到輸入端口。如需增加重量分類的工件計數(shù)數(shù)據(jù)，需添加輸出數(shù)據(jù)寄存器4個，可選擇寄存器偏移地址0，計數(shù)4，這樣就添加了D0～D3到寄存器輸出端口。對于虛擬工廠輸出的AD信號，例如稱重數(shù)據(jù)信號，可以選擇AD輸入，例如選擇第2路輸入則偏移地址選擇61441，三菱編程程序中可通過WR3A K0 S1 S2指令調整模擬量的值，參數(shù)S1表示模擬通道（需要乘以10），S1表示模擬量的值。例如對第2路模擬信號的通道里面的數(shù)據(jù)，可以用WRD3A K0 K10 D0、WR3A K0 K10 D0讀寫。如果為了編程更方便，稱重數(shù)據(jù)信號也可以直接連接普通寄存器，比如D4，這樣數(shù)據(jù)不需要AD讀寫指令可直接調用。

完成通訊設置后，虛擬PLC仿真器通過虛擬串口、Modbus TCP通訊，連接了編程軟件、組態(tài)軟件、FactoryⅠO虛擬工廠軟件，建立穩(wěn)定的通訊。組成一套使用方便的全虛擬仿真教學系統(tǒng)。在此仿真系統(tǒng)中，組態(tài)軟件可以作為FactoryⅠO HMⅠ界面，作為控制信號的輸入、系統(tǒng)狀態(tài)指示、監(jiān)控等，擴展FactoryⅠO功能。例如虛擬工廠的倉庫系統(tǒng)，需要一個倉位操作和倉位存貨狀態(tài)顯示的人機界面，這時可以用組態(tài)軟件對這個操作界面進行開發(fā)，在組態(tài)軟件的仿真系統(tǒng)中新增一個倉儲系統(tǒng)的人機界面，如圖6所示。程序調試運行時，可以利用這個界面操作FactoryⅠO的立體倉儲系統(tǒng)，如圖7所示。虛擬工廠的其他應用場景中，也可以用組態(tài)軟件開發(fā)相應的頁面，對虛擬工廠各個實訓場景的進行狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，使得FactoryⅠO功能更完善。

圖6 組態(tài)軟件制作的虛擬工廠HMⅠ界面

圖7 虛擬工廠立體倉庫編程調試場景

4 結束語

本文介紹了三菱PLC仿真系統(tǒng)，通過對編程軟件、PLC模擬器、組態(tài)軟件、虛擬工廠的通訊研究，可以靈活組合得到不同的應用場景，可以針對不同的教學場合使用不同的實訓功能，可對接實物教學設備，也可全虛擬應用，可以進行人機界面的開發(fā)，也可以進行工業(yè)控制系統(tǒng)設計、編程調試，使不同的學習層次學生都能找到相應的學習內容，只要對實訓項目內容加以完善，便可以成為一套非常完備的仿真教學系統(tǒng)。