全虛擬PLC遠程試驗系統(tǒng)的研究與實現(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在我國各個行業(yè)的廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展，建立先進的PLC教學(xué)試驗系統(tǒng)對普及PLC控制技術(shù)及提高我國自動化水平就顯得尤為重要。目前，主要存在兩類PLC教學(xué)試驗系統(tǒng):全實物的PLC試驗系統(tǒng)和以組態(tài)軟件與下位PLC硬件構(gòu)成的半虛擬試驗系統(tǒng)。前者按照實際控制系統(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)，全真模擬實際PLC控制系統(tǒng)中相關(guān)控制對象及現(xiàn)場設(shè)備，相比前者，其試驗硬件成本大為減少［1］。

為了解決在無PLC硬件條件下的教學(xué)及資源共享問題，本文提出了一種全虛擬PLC試驗系統(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)提供了完整的本機調(diào)試、上下位機控制及網(wǎng)絡(luò)連接的現(xiàn)代試驗平臺，是一種利用現(xiàn)有資源實現(xiàn)的先進PLC試驗教學(xué)系統(tǒng)。

1 全虛擬系統(tǒng)總體方案

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

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

全虛擬PLC試驗平臺建立在PC機上，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中編寫梯形圖程序，然后將其下載到虛擬PLC軟件GX Simulator中，運行 GX Simulator軟件，即模擬PLC的程序運行。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，以實現(xiàn)上位機對PLC的監(jiān)控，并通過組態(tài)軟件在PC機上全真模擬PLC的控制對象及相關(guān)的現(xiàn)場設(shè)備［2］。為了將模擬PLC的GX Simulator仿真軟件與組態(tài)軟件進行數(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。

為實現(xiàn)試驗室本體平臺上的資源共享和遠程教學(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)上通過瀏覽器對試驗室資源進行IP訪問和遠程試驗。學(xué)習(xí)人員在家里就可以共享試驗室資源，并完成一系列PLC試驗。

2 虛擬試驗平臺的建立

2.1 系統(tǒng)軟件平臺的建立

在PC機上安裝如下程序:三菱的編程平臺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工程;根據(jù)試驗需要編寫控制系統(tǒng)程序，編譯通過后，啟動梯形圖邏輯測試(ladder logic test，LLT)，梯形圖程序?qū)⑾螺d到 GX Simulator仿真軟件。此時的GX Simulator即相當于一臺全狀態(tài)運行的虛擬 PLC［4］。

2.3 通信實現(xiàn)

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

②易控組態(tài)軟件通信串口設(shè)定:打開易控組態(tài)軟件，在工程窗口中設(shè)置選項“I/O通信”，新建一個串口通道，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)置了一個和虛擬PLC通信參數(shù)相同的串口COM2，接下來只需將兩者互聯(lián)便可實現(xiàn)通信。

③虛擬PLC與易控的通信連接:通過VSPM虛擬串口軟件，實現(xiàn)GX Simulator與易控的連接。VSPM虛擬串口軟件可以將TCP/IP連接、UDP廣播映射成本機的虛擬COM口，應(yīng)用程序通過訪問虛擬串口，完成遠程控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽?］。若針對本機同一IP地址進行VSPM傳輸，只需通過VSPM建立一個對應(yīng)GX Simulator的COM1串口和對應(yīng)易控組態(tài)串口COM2的串口，便可實現(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VSPM軟件，選擇串口建立方式為“默認的虛擬串口”，建立相應(yīng)的兩個COM1和COM2口。其中:UDP接收和發(fā)送地址都設(shè)為本機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運行，通過VSPM在GX Simulator和易控組態(tài)軟件之間進行通信連接，并建立基于易控組態(tài)軟件的監(jiān)控界面。

3 虛擬試驗系統(tǒng)的應(yīng)用

在搭建全虛擬PLC試驗平臺后，還需要完成對具體PLC控制試驗系統(tǒng)的設(shè)計。筆者在系統(tǒng)中集成了一系列的常見試驗案例，以下僅以交通燈控制系統(tǒng)為例，說明全虛擬PLC試驗系統(tǒng)設(shè)計的方法和過程。

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編寫梯形圖控制程序，將編寫好的部分梯形圖程序?qū)懭胩摂MPLC(既啟動LLT)，進入虛擬仿真調(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。

易控組態(tài)軟件是一種面向工業(yè)自動化的通用數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控的組態(tài)軟件，它能夠?qū)崿F(xiàn)對自動化過程和裝備的監(jiān)視和控制［7］。根據(jù)實際現(xiàn)場的需要，在易控組態(tài)軟件平臺進行上位監(jiān)控界面設(shè)計，模擬PLC的被控對象，并以動畫形式展示PLC控制對象的工作過程。其設(shè)計步驟如下［8］。

①組建系統(tǒng)工程:首先運行易控組態(tài)軟件進入組態(tài)畫面，再分析交通燈控制系統(tǒng)工程項目結(jié)構(gòu)，并進行監(jiān)控的窗口界面設(shè)計。

②動畫制作:將用戶窗口中圖形對象與實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象建立相關(guān)連接，并設(shè)置相應(yīng)的動畫屬性。

③運行策略:當一般的動畫屬性設(shè)置不能滿足要求時，采用腳本程序，從而在運行策略中實現(xiàn)更高級的動畫仿真。

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”選項中添加控制量信息，然后進行相應(yīng)的通信參數(shù)連接設(shè)置;在“I/O通信”選項中，建立PLC變量和易控組態(tài)數(shù)據(jù)庫變量之間的連接，使它們之間的邏輯關(guān)系一一對應(yīng)。

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

4 基于Web功能的遠程發(fā)布

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

在易控“開發(fā)環(huán)境”中，打開所對應(yīng)的工程，點擊“編譯網(wǎng)頁”，將希望提供給遠程IE端訪問的畫面生成.xbap格式的網(wǎng)頁文件，同時設(shè)置服務(wù)器的名稱和通信時使用的端口號等參數(shù)。用戶可在“發(fā)布網(wǎng)頁”設(shè)置中選擇“選用IIS發(fā)布方式”并進行相應(yīng)的配置，再選擇發(fā)布網(wǎng)頁即可將網(wǎng)頁發(fā)布。

當易控的發(fā)布方將組態(tài)Web發(fā)布完畢，并運行組態(tài)軟件以后，用戶端可以打開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)和畫面。

該試驗平臺提供了一系列虛擬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，遠程使用者就可以根據(jù)需要選擇和切換不同的試驗任務(wù)，進行PLC控制系統(tǒng)的模擬仿真試驗。當點擊交通燈試驗時將顯示運行畫面。當然，還可以對訪問者進行權(quán)限的配置。用戶只有擁有訪問權(quán)，才能對試驗系統(tǒng)進行訪問或操作。

5 結(jié)束語

本文所討論的全虛擬的PLC遠程教學(xué)系統(tǒng)，有效地解決了在無PLC硬件條件下的完整PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試試驗問題，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)軟件的遠程功能，將PC試驗平臺與各個試驗終端相聯(lián)，實現(xiàn)了資源共享和教學(xué)之間的互動，并向?qū)W生展示了遠程監(jiān)控的構(gòu)建過程及其功能。

采用VSPM虛擬串口軟件，實現(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)。該試驗體系充分利用現(xiàn)有計算機及網(wǎng)絡(luò)的平臺，實現(xiàn)了一種集本機調(diào)試、上下位機控制及網(wǎng)絡(luò)連接功能于一體的現(xiàn)代試驗平臺，是對先進PLC試驗教學(xué)系統(tǒng)的一次有益嘗試。

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