基于組態(tài)軟件的全虛擬PLC教學系統(tǒng)實現(xiàn)及應用

◆王寶林

基于組態(tài)軟件的全虛擬PLC教學系統(tǒng)實現(xiàn)及應用

◆王寶林

提出基于Kingview組態(tài)軟件及GX Simulator、MX OPC sever的全虛擬仿真教學系統(tǒng)方案。教學實踐表明，全虛擬仿真教學系統(tǒng)的應用，拓展了學生學習的時間與空間，對提高學生的PLC應用水平起到積極的作用。

PLC；組態(tài)王軟件；全虛擬模式；OPC；教學系統(tǒng)

1 利用組態(tài)軟件開發(fā)的PLC仿真教學系統(tǒng)

PLC課程教學現(xiàn)狀 可編程邏輯控制器（PLC）應用廣泛，是職業(yè)院校機電類專業(yè) 的一門核心主干課程。PLC編程知識的鞏固需要精講多練，需要搭建良好的實訓平臺，多開設與工業(yè)實際應用緊密結合的實訓項目。而實際情況卻因為受到場所、設備、資金等諸多客觀條件的限制，各學校難以在實訓室配備大量的實物工控設備，導致PLC教學實訓設備在種類和數(shù)量上難以滿足教學要求，影響了PLC教學的效果。

基于組態(tài)軟件的PLC仿真教學系統(tǒng) 組態(tài)控制技術（Supervision Control and Data Acquisition）常用于工業(yè)控制系統(tǒng)的監(jiān)控，它為用戶提供設備驅動、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、流程控制、動畫顯示、報警處理、報表輸出等操作工具，常用于生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)。組態(tài)軟件具有成熟的I/O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聯(lián)。這樣在PLC編程調試過程中，可以利用組態(tài)軟件的組態(tài)動畫代替PLC控制對象，在計算機屏幕上觀察PLC控制系統(tǒng)的控制過程和結果[1]。

用組態(tài)軟件制作的仿真被控對象，可以像實物被控對象一樣，既可以向PLC發(fā)出如開關控制信號、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)虛擬對象及控制結果之間的關系。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課程教學的編程調試。

組態(tài)軟件教學系統(tǒng)優(yōu)勢 利用組態(tài)軟件三維虛擬空間進行設計，可以模擬出多種真實場景，如立體倉庫控制系統(tǒng)、傳輸計件控制系統(tǒng)、售貨機系統(tǒng)、機械手控制系統(tǒng)、電梯控制系統(tǒng)等。組態(tài)虛擬對象能以按扭、滑動標尺、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各個變量的值以及狀態(tài)[2]。所以用組態(tài)軟件構建的教學系統(tǒng)還可以仿真觸摸屏控制，學生可以在組態(tài)軟件開發(fā)環(huán)境下進行觸摸屏界面開發(fā)，利用組態(tài)軟件豐富的圖形庫對象，可以構建出比真實觸摸屏更直觀生動的控制畫面。

如圖1所示，用組態(tài)軟件構建的步進電機控制系統(tǒng)，達到與真實觸摸屏一樣的控制效果，其中包括對步進電機的速度、運行步數(shù)設置（設置PLC數(shù)據(jù)寄存器值），對已運行的步數(shù)進行顯示（輸出PLC數(shù)據(jù)寄存器值），同時步進電機模型可以動態(tài)地展示步進電機運行狀態(tài)，教學效果非常好。

基于組態(tài)軟件的PLC教學系統(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生編程學習。相比較于真實工控設備的PLC教學系統(tǒng)，虛擬的仿真系統(tǒng)控制對象更加豐富，教學內容也更豐富，擴展了學生的工程應用經(jīng)驗。

連接真實PLC硬件仿真系統(tǒng)的不足 基于組態(tài)軟件的實物PLC仿真教學系統(tǒng)，雖然虛擬出了PLC被控對象，但仍需要真實的PLC與組態(tài)軟件連接。這樣，PLC課程的編程實驗常局限于實訓室，時間局限于正常上課時間。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系統(tǒng)的實現(xiàn)，達到了更少硬件投入、應用更方便的目的。

2 全虛擬的PLC教學系統(tǒng)的構成

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，將編制好的梯形圖程序寫入GX Simulator，GX Simulator作為一個模擬PLC運行的虛擬控制器[3]。通過三菱的OPC服務軟件與組態(tài)王OPC服務器組成虛擬的通信接口，實現(xiàn)PLC程序控制組態(tài)實訓畫面運行，完成控制對象的控制，從而實現(xiàn)全虛擬方式的運行。

圖1 步進電機實訓頁面（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的對應信息交互，實現(xiàn)PLC仿真運行與虛擬控制設備的對應關系，在PC機上實現(xiàn)PLC編程調試功能。

1）GX Simulator。GX Simulator是三菱公司開發(fā)的一款梯形圖仿真調試工具軟件，在安裝有GX Developer的計算機內追加安裝GX Simulator，能夠實現(xiàn)程序的仿真調試。GX Simulator可模擬可編程控制器CPU本體功能，可以使得程序的調試脫離真實PLC，實現(xiàn)不在線調試。使用GX Simulator能夠在一臺計算機上進行順控程序的開發(fā)和調試，能夠更有效地進行順控程序修正后的確認。另外，GX Simulator還具有模擬I/O系統(tǒng)設定以及串行通信等其他功能[4]。

2）OPC技 術。OPC（OLE for Process Control） 即OLE用于工業(yè)過程控制，是在工業(yè)控制和生產自動化領域中使用的硬件和軟件的接口標準。OPC技術通常在數(shù)據(jù)采集軟件中廣泛應用，現(xiàn)在眾多硬件廠商提供的產品均帶有標準OPC接口。OPC實現(xiàn)了應用程序和工業(yè)控制設備之間高效、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，OPC實現(xiàn)了高性能的遠程數(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)王作為一個通用的工控軟件平臺，提供開放式的通訊接口，如OPC、DDE、通用總線協(xié)議驅動接口等。組態(tài)王作為OPC客戶端可以同時掛接多個OPC服務器，每個OPC服務器都被看作一個外部設備。同時，組態(tài)王本身也可以充當OPC服務器，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，進行數(shù)據(jù)的交換[6]。OPC與其他軟件的連接可以通過本機的OPC進行（組態(tài)王和其他軟件安裝于同一臺計算機），也可以是通過網(wǎng)絡的OPC連接。組態(tài)王的這些功能可以方便用戶在工程項目中輕松實現(xiàn)不同軟件之間的集成和數(shù)據(jù)傳輸。

3 全虛擬仿真教學系統(tǒng)開發(fā)及通信配置

在PC機端依次安裝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)的實現(xiàn)。

MX OPC sever設置

1）創(chuàng)建設備：全虛擬仿真系統(tǒng)的OPC通信方式中，MX OPC sever作為OPC服務器端，組態(tài)王作為OPC客戶端。打開MX OPC Configurator，在“PC side I/F”項選擇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)建新的設備。

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

電梯實訓系統(tǒng)組態(tài)畫面開發(fā)

1）創(chuàng)建電梯仿真系統(tǒng)工程，并進行相應通信配置。電梯實訓項目要求在連接真實PLC和全虛擬方式下都能運行，所以還需添加連接實物PLC的硬件設備，并進行相應的通訊設置。在工程瀏覽器下，設置設備接口COM1，選擇COM1端口連接FX2系列編程口，并設置通訊參數(shù)：波特率9600 bps，偶校驗，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，選定相關圖形對象，通過定義動畫并使靜態(tài)畫面隨著過程控制對象產生動態(tài)效果。

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

三層電梯PLC編程實訓組態(tài)畫面如圖3所示。

組態(tài)王OPC通訊配置

1）OPC服務器設置。如圖4所示，打開三層電梯實訓系統(tǒng)工程，在組態(tài)王工程瀏覽器窗口中，選擇設備項目中“OPC服務器”項，在右側窗口中雙擊“新建OPC”圖標，此時系統(tǒng)會自動搜索本計算機中已經(jīng)安裝的OPC服務器，并將搜索到的所有OPC服務器顯示于窗口右側。此處選擇三菱GX OPC sever創(chuàng)建的Mitsubishi.MXOPC.4 OPC服務器進行連接，完成OPC設備的建立。

圖3 三層電梯PLC編程實訓組態(tài)畫面

圖4 OPC服務器連接設置

圖5 全虛擬方式數(shù)據(jù)詞典的設置

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

電梯實訓系統(tǒng)設計在全虛擬方式以及連接實物PLC方式都可以運行，如果選擇連接真實PLC編程調試，則數(shù)據(jù)詞典中相應數(shù)據(jù)變量連接設備選擇“新I/O設備”，“新I/O設備”創(chuàng)建工程時定義為COM1口的三菱FX2編程口。此時實訓頁面的數(shù)據(jù)與三菱FX2編程口進行數(shù)據(jù)鏈接，即可連接實物PLC進行編程實訓。

全虛擬系統(tǒng)的運行 應用時，打開GX Developer，編寫電梯PLC控制程序并點擊梯形圖邏輯測試啟動（Ladder logic test，LLT），此時梯形圖程序下載至GX Simulator，此時GX Simulator即相當于虛擬PLC，且虛擬PLC自動置RUN狀態(tài)；然后打開組態(tài)王運行系統(tǒng)進入電梯實訓仿真頁面，此時實訓仿真頁面與虛擬PLC便自動建立連接，即可觀察程序控制電梯運行的效果，以進行程序的調試與修改。系統(tǒng)使用時不需要打開MX OPC server軟件，組態(tài)王軟件也不必再進行設置，應用非常方便。

4 全虛擬PLC教學系統(tǒng)的應用

全虛擬PLC教學系統(tǒng)的優(yōu)勢 全虛擬的教學系統(tǒng)無需投入任何硬件設施，也不需要任何維護費用，提供了高性價比的學習模式；應用時等同于實物PLC實訓系統(tǒng)，不需要繁瑣的設置過程，非常方便；全虛擬方式徹底擺脫了實訓室，實現(xiàn)了只需一臺計算機就可以實現(xiàn)高水平PLC編程實訓，實訓內容不受實訓室設備的限制；編程練習不僅限于實訓室上課時間，學生在課后可以利用自己的計算機隨時隨地進行編程練習，在學習的時間和空間上進行了最大限度的延伸。實踐教學效果表明，全虛擬仿真系統(tǒng)的應用，對鞏固學生所學編程知識、提高學生的PLC應用水平起到積極的作用。

全虛擬PLC教學系統(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服務器之間的通信連接，不支持I/O整數(shù)、實數(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內部整數(shù)、實數(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系統(tǒng)中，全虛擬方式和實物PLC方式應用沒有區(qū)別。

對于圖例1的步進電機實訓項目，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)，以設定步進電機的運行步數(shù)或步進間隔等值，另外還需通過讀取PLC數(shù)據(jù)寄存器D中的數(shù)值以顯示步進電機運行的步數(shù)。在全虛擬方式中，因為數(shù)據(jù)通訊類型不支持，這部分功能將不能實現(xiàn)，而這些功能在組態(tài)仿真系統(tǒng)連接真實PLC的情況下可順利實現(xiàn)。

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

[2]王春.基于組態(tài)軟件的PLC實驗教學系統(tǒng)[D].四川:西華大學,2009:1-10.

[3]鄭敏,鄭萍.全虛擬PLC實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)及教學應用[J].高等教育研究,2011(3):51-53.

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

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

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

TP315

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

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

作者：王寶林，肇慶市工程技術學校電子講師，研究方向為計算機仿真教學（526070）。