基于組態技術的PLC虛擬實驗平臺設計與實現*

于洪國

（濱州學院電氣工程學院，山東 濱州256600）

0 引言

可編程序控制（Programmable Logical-Controller，PLC）是應用分析型本科院校電氣自動化專業的重要必修實踐類課程之一[1]。目前，高校開展的PLC實驗實踐主要在PLC實驗臺或實驗箱上進行，實現項目的控制過程主要通過按鍵輸入和LED指示輸出模擬實驗過程，用于實現程序調試和排錯。雖然使用實驗中控制對象的物理模型可以形象地展示實驗過程，使實驗過程及調試過程更加直觀高效。但PLC控制對象的各種物理模型存在制造困難、更新快、價格高、維護困難等問題，難以在高校實驗室內及時更新配備，已經配置的控制物理模型設備往往與工業工程結合度低，種類少并且容易損壞，不能滿足目前應用型高校為學生開設的PLC實踐課程的頻度和維度需求。

在傳統的真實實驗平臺上進行的實驗具有實驗前后維護時間長、實驗損耗大、受地域和時間限制多等特點。特別是可編程實驗過程中，要求自己動手編程和調試、運行程序并根據設備的動作來達到檢驗實驗效果的目的。因此，構建虛擬PLC實驗平臺[2]，通過仿真模型的搭建構建虛擬實驗控制對象，同時，進行實驗平臺的開發，用于傳統物理控制對象的替代或者輔助，針對與工業工程結合緊密的實驗環節的設計，優化計算機平臺下軟硬件系統的操作環境，實現PLC實驗的仿真性和交互性功能，十分必要。

1 組態控制技術介紹

組態技術是在工業自動化領域興起的一種新型的軟件開發技術[3]，作為自動控制領域的系統監控層級的應用平臺和軟件開發環境，組態軟件為用戶提供了快速構建工業過程自動控制系統的可視化通用性強的軟件工具。可以利用組態軟件提供的基于對象模型的開發工具，通過系統畫面和數據變量的有效組態，利用軟件驅動程序建立與硬件系統有效的通信方式，實現不同功能的應用軟件開發。組態軟件通過仿真固有的數據變量定義和數據變量設置實現硬件設備的數據采集、分析以及顯示功能，能夠實現對物理設備的遠程監測和過程控制，與傳統基于計算機語言的開發軟件相比，具有通用性強、可靠性高以及開發周期短等優點。采用組態技術構建不同應用場景的虛擬仿真對象模型，無需進行通信接口的物理電路開發和設計，可以有效提高所搭建的軟件平臺系統的可靠性。

2 傳統PLC實驗平臺存在的缺陷

傳統PLC物理實驗平臺在實踐開展過程中要依據實驗項目的控制要求進行PLC硬件的選擇和配置，實現定義好相關的開關輸入及輸出量、模擬輸入及輸出量；后面要依據控制目標編寫PLC控制程序并下載到對應的PLC模塊中，然后在物理實驗平臺觀測實驗的過程狀態和執行結果。實驗項目被控對象的執行結果一般采用LED燈表示，實驗過程不夠直觀，實驗者難以真實體驗到與工業現場相近的實驗過程。

隨著工業過程的現代化進程的推進和應用型人才培養的需要的發展，實踐環節成為人才培養的重要途徑。因此，實踐培養模式及實踐過程環節需要與工業過程及生產實際緊密結合。PLC的更新換代、推陳出新使得其實驗過程中被控對象也需要同步更新，當學校的教學設備及教學設施投入無法滿足正常教學需求時，PLC的實踐實驗環節的教學質量會受到不同程度的影響。由于傳統的PLC實驗平臺硬件配置固化，物理控制對象不直觀，因此，實踐教學過程的靈活性和創新性不夠，學生的參與積極性不強，并且沒有工業應用背景作為有效依托，導致實驗者參與者的興趣不夠高。

3 PLC虛擬實驗平臺的設計與實現

3.1 系統的總體設計

組態軟件通過建立虛擬仿真控制對象模型，用三維立體圖形化的方式在計算機顯示器上呈現，通過定義I/O數據變量與硬件設備建立通信連接，并按照組態控制目標要求和程序指令將目標數據發送給目標物理設備，對執行機構實施有效控制和參數調整。通過與設備中的實際寄存器即按照定義的寄存器地址一一對應交換數據，基于組態的遠程監控系統掌握系統設備的運行信息，將數據信息進行存儲和顯示；用仿真對象模型替代硬件物理對象，充分體現了組態監控系統的動畫顯示、實時曲線和歷史曲線、實時報警和歷史報警等特點；并且組態軟件簡單易用，使得開發周期大大縮短，節約了開發時間。PLC虛擬仿真實驗平臺結構，如圖1所示。

圖1 PLC虛擬仿真實驗平臺整體結構圖

隨著工業控制技術的發展，計算機軟件與硬件設備的通訊協議之間的接口呈現多樣化特征，不同廠家的組態軟件以及不同廠家的硬件設備包括PLC設備都有其獨立的通信協議。當用戶選擇不同的軟件和硬件時，就會面臨軟硬件之間通信集成的問題，而OPC技術的發展很好地解決了這一問題，該技術通過建立統一的接口，允許用戶軟件程序從不同的OPC服務器甚至運行在不同節點上的服務器進行數據的存取。OPC技術為控制領域的數據交換部分提供了重要的技術保證，國內各大組態軟件公司的組態軟件都可以為OPC接口程序提供全面支持。通過OPC的通信方式，組態軟件可以支持西門子的PLC設備[4]。使用時在組態軟件中把計算機設置為OPC客戶端，通過建立與PLC的通信實現對PLC內部寄存器、控制器及I/O接口狀態的實時監測，以數據變量開關量或者模擬量值的形式傳輸到軟件系統，供上位實驗平臺使用及處理，最終實現實踐教學信息化發展[5]。

3.2 開發實例

通過組態軟件設計開發不同工業場景下PLC實驗仿真控制對象模型，仿真控制對象模型通過OPC通信方式與PLC模塊進行通信，通過PLC程序制定動態顯示仿真對象的運行狀態。這里只針對其中機械手動作控制實驗的仿真平臺建立過程進行設計說明。工業機械手在工業生產及農業機械化過程中的應用非常廣泛，是通過模仿人手的動作，按編制好的程序指令實現物品的自動抓取、搬運等功能的自動控制裝置[6]。通過分析實驗項目的具體工藝流程及運行過程，明確要實現的控制目標，定義PLC模塊的輸入輸出點及實現的具體功能，通過組態軟件進行功能設計，與PLC硬件模塊配合實現各自的目標任務。一般由PLC模塊完成程序流程的自動控制。通過組態軟件建立控制對象仿真模型及功能界面，采用不同的通信方式實現對實驗過程不同運行狀態的實時監測和過程模擬。

3.2.1 實驗過程控制要求

機械手動作模擬控制裝置按照實驗流程，其控制要求如下。

1）上升下降移動：啟動開關按下后，機械手下降，當下降到位，下限位開關閉合，機械手停止移動；當上升到位，上限位開關閉合，機械手停止移動。

2）抓取放松物體：機械手抓緊物體運行，持續夾緊到位，機械手夾緊物體保持該動作；需要放松物體時，機械手松開物體運行，持續松開到位，機械手松開物體保持該動作。

3）左右方向移動：向左或向右移動，當移動到位時，閉合左或者右限位開關，機械手停止左右移動。

4）回歸原位：運輸物體結束后，機械手向上回升，當回升到位，上限位開關閉合，機械手停止回升；并且向左移動，當左移到位，左限位開關閉合，機械手停止移動。

3.2.2 PLC輸入輸出定義

PLC模塊在滿足實驗過程控制要求的情況下，要合理使用輸入輸出點，盡量精簡所需要的輸入輸出點數，這樣可以降低PLC控制系統的硬件成本，還可以提高學生進行程序優化設計的能力。按照實際應用的需要，PLC模塊的輸入輸出定義要根據其控制對象的輸入輸出信號來確定。機械手動作模擬控制過程中，首先需要對PLC的I/O口進行定義和分配，PLC的I/O點分配表，如表1所示。

表1 機械手動作模擬控制PLC的I/O點分配表

3.2.3 組態仿真界面

通過組態軟件建立的機械手動作模擬控制仿真控制對象的實驗系統，如圖2所示，進行界面設置和組態軟件的腳本編寫，用不同的指示燈表示機械手的不同運行狀態，通過建立的機械手仿真模型模擬真實機械手上升、下降、左行、右行、夾緊、放松等動作。機械手的各種動作指令以及限位開關與PLC程序中輸入輸出點通過組態軟件的數據變量進行關聯；在實驗中，通過定義的輸入輸出點進行PLC程序的開發調試和下載，通過仿真模型界面實時動態進行機械手的動作顯示，直觀生動地展現PLC程序控制下機械手的真實動作過程。

圖2 機械手模擬動作控制仿真界面

3.3 實驗過程

組態軟件通過建立的OPC服務器，通過OPC連接方式與PLC硬件設備進行通信設置，進入組態運行系統后，選中“切換到View”選項，打開創建好的不同實驗過程的仿真組態界面，進入運行系統中進行PLC的運行調試。將下載好程序的PLC模塊切換到“RUN”模式，根據控制要求，按照運行流程逐步對系統進行模擬，確保系統所有功能及控制要求都符合要求。具體實驗步驟如下：

1）按照不同實驗項目和工藝過程的控制要求定義PLC的輸入輸出點，分析實驗項目和工藝過程的控制要求，明確控制目標。

2）依據定義好的輸入輸出點，設計PLC模塊的輸入輸出端子的硬件接線。

3）應用PLC編程軟件開發實驗項目和控制過程程序，編譯調試程序并下載至PLC模塊中。

4）建立PLC模塊與上位機組態仿真實驗平臺的通信。通過運行實驗項目的仿真界面，形象直觀地觀察仿真界面；通過PLC實驗過程中被控仿真模型對象的運行狀態和運行過程，驗證PLC程序的正確性。

4 結論

利用組態軟件基于OPC通信模式對PLC虛擬實驗平臺進行了設計，開發了不同實驗項目控制對象的仿真模型和實驗界面，通過不同工藝過程和實驗項目的仿真模型動態展示PLC實驗的運行狀態和工藝過程，從而使學生能夠同步理解具體的實驗內容和工業過程。通過該教學平臺有效結合不同工程案例，豐富學生的工程實踐經驗，解決了現有PLC教學器材、設備等資源緊張及維護成本高的問題，大大提高了學生參與實踐教學的積極性及創造性。