基于組態軟件的PLC虛擬對象的應用研究＊

王亞芳，吳 曉，郭曉麗，陳瑞祥

（南通大學電氣工程學院，江蘇 南通 226019）

在南通大學自動化和電氣類專業教學中，“電氣控制技術”“PLC原理及其應用”課程一直作為集成創新人才培養體系中的主干課程[1]。學生不僅要學會其基本原理和基本概念，也要培養自身的實踐操作能力，掌握在工業現場中對PLC系統的設計技巧。因此，PLC課程的實驗教學環節除了使學生對課程中一些知識點有更深一步的理解外，更重要的是實驗目的、實驗內容、實驗步驟的設計必須遵循集成創新人才的培養規律，使學生掌握一定的實際操作、實際工程方法手段[2]。

目前，PLC課程的實驗教學還是以程序的編程訓練為主，學生在確認PLC系統接線的基礎上，重心就是編寫和輸入控制程序并調試、運行，觀察控制對象的動作是否與要求的控制規律一致；實踐環節如課程設計或畢業課題著重于PLC控制系統的設計訓練。因此，PLC實驗設備需要選擇對編程訓練具有典型意義的控制對象。由于這些控制對象通常為實際工業對象，結構復雜，代價高，維護困難，有的還有一定的危險性，因而近年來PLC實驗中采用虛擬仿真對象已成為一個趨勢[3]。

組態軟件是數據采集和過程控制的常用軟件，是控制系統監控層的軟件平臺和開發環境[4]。本文以組態軟件為開發工具，全真模擬PLC的控制對象，開發了可用于PLC教學和科研的虛擬對象。將開發出的虛擬對象用于南通大學的PLC實驗教學中，不僅豐富了教學內容，更增強了實驗教學效果，具有一定的應用價值和現實意義[5]。

1 虛擬對象的系統結構

1.1 硬件結構圖

以PLC實驗室的現有條件為基礎，硬件結構為三菱FX2N-48MR型PLC+研華PCI1756板卡+搭載Win7 64位操作系統的計算機，如圖1所示。

圖1 虛擬對象的硬件結構圖

在計算機中使用多路數字I/O卡（PCI1765），接口卡驅動程序把接口卡硬件和虛擬對象軟件連接起來，計算機中的虛擬對象軟件驅動該卡的I/O點，將對控制對象的控制信號以及反映控制要求和控制情況的輸出信號表現、傳遞出來；PLC的輸入、輸出信號通過與這塊卡的I/O點相物理連接，獲得對象的控制要求和控制情況并對對象發出控制信號。這樣就實現了PLC與“虛擬對象”之間的信號互動，使其真正成為一個可控的對象。從這個意義上講，虛擬對象軟件、帶有虛擬對象軟件的計算機以及該I/O卡就組成了一個可以被PLC控制的“虛擬對象”。

1.2 軟件結構圖

從系統的結構層次來劃分，虛擬對象由3部分組成：虛擬對象界面部分、后臺控制軟件部分以及I/O卡的設備驅動軟件部分。其軟件結構圖如圖2所示。

圖2 虛擬對象的軟件結構圖

虛擬對象界面部分，形成虛擬對象軟件的工作界面，其支撐軟件為組態軟件的畫面構成構件；實驗狀態下，I/O卡的設備驅動軟件實現計算機中的虛擬對象軟件對該卡I/O卡的驅動，對控制對象的控制信號以及反映控制要求和控制情況的輸出信號表現、傳遞出來。其支撐軟件為組態軟件的設備驅動構件；實驗狀態的后臺控制軟件，實現PLC控制程序經I/O卡驅動下，對虛擬對象畫面中各虛擬設備、物體的控制，實現實驗PLC程序對虛擬對象的控制、操作。其支撐軟件為組態軟件的控制策略構件。演示狀態下，僅由后臺控制軟件控制界面上的虛擬設備、物體的運動或變化，其支撐軟件也為組態軟件的控制策略構件。

2 虛擬對象的設計舉例

依據上述方法，開發了門架式機械手、電梯、洗衣機、十字路口交通燈等十幾個虛擬對象。這里以洗衣機為例，介紹該虛擬仿真對象的開發過程。

2.1 控制要求

初始狀態下，按下電源鍵，系統默認處于自動運行模式下的待機狀態。自動運行時，工序圖如圖3所示。

圖3 洗衣機自動模式下的工序圖

初始狀態下，按下電源鍵，再按下自動/手動切換按鈕，系統處于手動運行模式下的待機狀態。手動運行時，工序圖如圖4所示。

圖4 洗衣機手動模式下的工序圖

2.2 I/O分配

結合控制要求，對洗衣機的輸入/輸出進行分配，如表1所示。

表1 洗衣機虛擬對象的I/O分配表

2.3 洗衣機虛擬對象的設計

監控界面設計：結合洗衣機虛擬對象的控制要求，監控界面包括操作面板、內筒、波盤、水管4個部分，具體如圖5所示。

圖5 洗衣機虛擬對象整體監控界面

數據詞典設計：洗衣機虛擬對象需要用到的變量類型主要包括內存整型、內存離散和I/O離散3種。分別對用于演示和實驗畫面的變量進行定義。

動畫連接設計：在完成界面設計和數據詞典設計后，必須進行合理的動畫連接設置才能實現需要的動畫效果。在洗衣機虛擬對象中，需要進行動畫連接的對象有按鈕、指示燈、內筒、波盤、管道等。

命令語言設計：洗衣機虛擬對象的演示和實驗畫面均需進行命令語言的設計。

PLC程序設計：PLC程序重在檢驗虛擬對象實驗狀態下是否可以按照控制要求進行正確運行。

2.4 洗衣機虛擬對象的調試

2.4.1 演示畫面的調試

利用組態軟件完成演示畫面的設計后，需要進行畫面的調試以檢驗控制過程及結果正確與否，其調試流程如圖6所示。

圖6 洗衣機虛擬對象演示畫面調試流程圖

演示畫面的調試主要是對畫面中的動畫連接的調試以及所編寫的命令語言的調試。在進行了一個或多個圖形對象的動畫連接后，需要進行一定的命令語言的編寫，以驗證能否通過命令語言來進行圖形的動畫控制。通過逐一調試，實現演示畫面中的各種演示效果。

2.4.2 實驗畫面的調試

利用組態軟件設計完成實驗畫面后，需要與PLC進行聯調以檢驗其能否滿足實驗控制要求，其調試流程如圖7所示。

圖7 洗衣機虛擬對象實驗畫面調試流程圖

實驗畫面的調試主要是檢查組態畫面能否根據PLC輸入輸出點的變化而展現相應的效果。在進行了圖形對象的動畫連接和命令語言的編寫后，進入到運行系統，使PLC運行，以驗證實驗畫面能否和PLC程序配合使用。

2.5 洗衣機虛擬對象的整體運行

借助組態王軟件，完成了洗衣機虛擬對象的演示功能，可以在單機模式下進行洗衣機控制要求中所有功能的演示；完成了實驗畫面的調試，學生可編寫PLC程序進行實驗控制，達到了PLC實驗課程的教學需求。

3 結語

本文將組態軟件應用到實際的PLC實驗教學中，開發出的洗衣機虛擬對象不僅可以真實直觀地展現實際被控對象的工作過程，又可以提升和訓練學生的PLC編程能力和動手能力。

除此之外，還實現了門架式機械手、電梯等多種被控對象工作過程的實時控制和圖像監控，有效地解決了PLC實驗教學中設備昂貴、維護成本高、場地空間有限等問題，為這些對象在工業生產中的智能化控制提供了很好的參考價值。