基于VisualOne直連PLC虛擬仿真系統設計

任曉敏

基于VisualOne直連PLC虛擬仿真系統設計

任曉敏

（西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089）

為提高PLC的教學效果，文章運用虛擬仿真軟件進行PLC項目設計調試，以組成三維場景的虛擬設備為控制對象，通過PLC編程、機器人編程、通信連接，利用PLC高級仿真軟件，實現虛擬仿真設備與PLC之間的數據交換，可直觀地展現三維場景下工業生產線自動化控制系統的實時運行過程，不僅能夠體現與實際生產線一致的物理性能，而且對于機械結構動作與PLC實現并行設計，為PLC實踐教學方面提供了更為廣闊的發展空間。

虛擬仿真；數據交換；生產線；并行設計

引言

可編程邏輯控制器（PLC）在工業自動化控制方面能夠有效地完成各類順序控制，例如貨物搬運機械手控制系統、智能物流分揀生產線控制系統等，在工業場合應用較為廣泛，在PLC教學方面形成了許多典型的教學案例，然而一般工科院校在PLC教學實踐過程中對于程序調試常常局限于設備廠家所提供的控制模塊設備，例如電機模塊、交通燈模塊、機械手模塊等。針對PLC的各類指令練習時，控制要求則需要根據這些模塊進行提出，而不能靈活地去更改控制要求，也就是說如果更改控制要求之后就可能沒有相對應的控制模塊與控制要求進行匹配，因此在對系統調試過程往往是通過PLC狀態指示的燈亮滅來判斷程序是否滿足其控制要求[1]。目前大多數PLC軟件只是單純地對PLC程序本身的邏輯關系進行驗證，缺少PLC程序與設備之間綜合運用時邏輯關系的驗證[2]。這對于初次接觸PLC的學生來說，在遇到控制要求較為復雜的情況時，通過觀察PLC狀態指示燈的變化來驗證程序是否正確就會覺得比較困難，由于調試現象不明顯可能導致學生的設計思路不連貫，思維受到一定限制，不能有效地激發學生的學習興趣，學習效果不佳。除此以外，在PLC程序調試過程中，有時避免不了由于學生疏忽或操作不當造成PLC設備損壞的可能[3]。結合在PLC教學中可能出現的問題，采用虛擬仿真技術就可以有效解決PLC在教學實踐中出現諸如以上問題。

本文是基于VisualOne虛擬仿真軟件建立虛擬仿真被控對象，在完成PLC編程的同時增加了現代數字化工廠中的一個環節——智能制造自動生產線控制系統，建立進階式虛擬工業場景[4]，通過PLC實現對工業生產線的工藝流程控制，在監控虛擬工業生產線智能終端的同時，優化與完善PLC的教學驗證環節，更新教學實踐改革手段，滿足學生在自動控制方面創新的需求。

1 PLC虛擬仿真系統設計方案

VisualOne是一種全方位工業智能制造虛擬仿真系統，可為PLC提供三維仿真場景下的驗證功能，還可以與真實硬件PLC實時連接，對較為復雜的生產線可進行虛擬調試，不僅能有效減輕現場調試的工作量，還能最大限度地縮短調試時間[5]。Visualone與PLC結合實現的教學案例種類較多，既可以進行半實物仿真，也可以實現全虛擬仿真[6]。本文是以全虛擬仿真實際生產線作為被控對象，以PLC為控制核心設計PLC虛擬仿真系統，具體設計內容包括虛擬控制對象模塊、PLC控制模塊、虛擬PLC模塊三部分，PLC虛擬仿真系統總體設計框圖如圖1所示。

（1）虛擬控制對象模塊：在虛擬仿真環境下正確配置各類控制對象，根據控制要求對所需設備可進行選擇或建模，結合實際的工業生產線對各類設備進行合理布局，確定相關變量；為了簡化PLC程序編寫內容，減少較為繁瑣的路徑規劃編程工作，可通過選擇路徑或者直接生成路徑對輸送線上的機器人動作過程完成編程操作，建立虛擬設備與控制系統之間的通訊連接。

（2）PLC控制模塊：根據控制要求，PLC控制模塊需要完成輸入、輸出變量的分配和梯形圖程序的編寫，本次PLC軟件選擇支持S7-1200 PLC的博途軟件。

（3）虛擬PLC模塊：將西門子PLC高級仿真軟件作為PLC與虛擬仿真控制對象之間的“橋梁”，通過S7-1200 PLC與虛擬設備模型之間的配置，實現PLC與虛擬仿真對象的數據交換，進行PLC與虛擬仿真設備之間的有效連接，從而達到PLC控制虛擬設備動態仿真的效果。

圖1 虛擬仿真系統總體設計框圖

2 PLC虛擬仿真實訓項目設計

VisualOne虛擬仿真軟件具有虛實結合功能和協同工作的特點，可有效地驗證或模擬工業環境下控制系統運行過程，特別是在自動生產線的布局設計、畫面監控等方面應用較多[7]，例如檢測產品出庫、入庫的數量，控制機器人的取料與放料等。選用VisualOne所提供豐富的模型庫中的設備三維模型或建模所需零件，搭建滿足控制要求并與實際生產線匹配的場景，利用其直觀、靈活、高效等優點，可有效解決PLC教學中控制對象較為單一的問題[8]。這里以自動生產線的人工分揀線控制實訓項目為例，簡述PLC虛擬仿真系統設計的過程，其主要設計內容如圖2所示。

圖2 PLC虛擬仿真系統實例設計內容

2.1 創建人工分揀線的虛擬場景

根據控制要求，首先對人工分揀線仿真模擬系統進行工程規劃、工藝分析；接著創建人工搬運線的場景，選用各類組件，將零件、機器人、傳送帶、供料站、中轉站、按鈕等組件進行導入，合理擺放組件并定位，完成人工分揀線的布局如圖3所示。

當各個組件布置完成之后，還需對供料系統進行設計，以簡化PLC程序設計內容，供料系統設計需要滿足供料站提供給第一個傳送帶不同的零件，當零件到達第一個傳送帶末端的中轉站時，通過中轉站的程序設置進入中轉站的零件個數，保證中轉站只出現一個零件，從而有效地將真實的被控對象進行軟件化設置。

圖3 人工分揀線的布局

2.2 編寫機器人程序

在VisualOne虛擬仿真軟件的“程序編輯器”面板上完成機器人有關動作的編程設計，編寫主程序與模塊化子程序，子程序是完成每種零件被抓取、放置的動作，在主程序中調用子程序便可實現機器人在每個傳送帶取料和放料過程，為PLC反饋給機器人的狀態做準備工作。機器人工作的主程序如圖4所示，零件信息設置R1等于111，表示一種零件，R1值等于222時，表示另一種零件；設置R2是PLC將獲得R1的值（零件信息）傳送到R2，并發送給機器人，機器人根據R2的值進行零件的分揀；R3表示機器人的狀態，1代表機器人處于忙碌狀態，0代表機器人處于空閑狀態。

圖4 機器人工作的主程序

2.3 編寫PLC程序

PLC設計部分主要控制人工分揀線中傳送帶的起停控制和機器人的分揀動作，其中傳送帶的起停控制較為簡單，這里針對機器人的分揀動作設計做詳細說明。PLC一方面需要從中轉站獲取零件信息，將零件信息的狀態存儲在寄存器里，并對零件信息完成屬性設置；另一方面PLC將獲取零件的信息發送給機器人，并判斷機器人的狀態，機器人根據寄存器的信息對零件進行分揀。根據控制要求確定輸入與輸出變量，變量是虛擬仿真軟件與PLC進行數據交換的媒介，這里對PLC添加模擬外界開關信號，需要位存儲器M來實現[9]，因此本例針對控制對象設置數據塊DB，建立全局變量，分別設置起動按鈕M3.0、停止按鈕M3.1、復位按鈕M3.2，實現被控虛擬仿真對象與PLC的數據聯系。

編寫PLC梯形圖實現機器人分揀動作即將第一條傳送帶根據零件不同分揀到第二、三條傳送帶上，在博途軟件中應用比較指令來判斷機器人的狀態，通過獲取存儲零件信息，利用傳送指令讓機器人分揀不同的零件，S7-1200 PLC指令豐富，編程模式較為靈活，因此這里的編程方法不是唯一的，可以根據所學內容自行設計程序。PLC控制機器人分揀零件的部分程序如圖5所示。

圖5 分揀零件的部分程序

按下起動按鈕，供料輸送帶開始運行，當零件到達傳送帶末端的中轉站，中轉站記錄零件信息，PLC從中轉站中獲取零件信息，并發送指令給機器人進行零件的分揀任務。

利用比較指令獲取機器人的狀態，當機器人處于空閑狀態，比較結果為真，觸點閉合，并判斷零件的種類，并將每種零件信息進行傳送，使傳送帶繼續自動傳送零件。按下停止按鈕，機器人執行完當前分揀動作后停止，不再進行零件的分揀。

3 系統運行調試

對人工分揀線在調試過程中應建立虛擬仿真軟件VisualOne與PLC的通信連接，完成PLC與虛擬設備之間的邏輯功能的測試。

3.1 虛擬PLC設置

利用PLCSIM Advanced V2.0 SP1 高級仿真軟件作為虛擬PLC，分別對高級仿真軟件與VisualOne的虛擬仿真設備進行設置，實現兩者之間的數據交換，進行動態仿真監控[10]。具體操作過程：打開博途V15.1軟件，添加虛擬PLC，完成虛擬PLC的組態，設置PLC以太網的地址，需要與PLC高級仿真器中的地址相同，即博途軟件與西門子PLCSIM Advanced V2.0 SP1高級仿真軟件中的IP地址設置為一致，這樣才能將編譯正確的梯形圖程序下載到虛擬的PLC中。

3.2 虛擬調試驗證

3.2.1 PLC程序調試

打開博途V15.1軟件，選中OPC UA，激活OPC UA服務器；在運行系統許可證下設置OPC UA運行許可證，并在所建立項目中的屬性設置中設置該項目支持仿真；對PG/PC接口使用西門子PLC高級仿真器的虛擬地址，連接服務器地址設置為OPC UA通訊地址，服務器地址如圖6所示，這時便可將編寫好的程序進行下載。

圖6 服務器地址

3.2.2 運行調試

在虛擬環境下，首先啟用連通性建立仿真軟件與PLC通訊連接，接著在連通配置下添加OPC UA服務器，輸入服務器地址，實現虛擬仿真對象與PLC之間的數據交互。在VisualOne虛擬仿真軟件運行環境下進行仿真，在顯示連接成功狀態下進行模擬運行，按下虛擬場景的起動按鈕，人工分揀線即可開始有序工作，驗證控制程序功能的同時還可在“已連接變量”面板中直觀地觀察到仿真過程中所設置變量的變化情況。調試過程如圖7所示。

圖7 調試過程

4 結束語

VisualOne虛擬仿真軟件提供了在三維場景下實現了PLC驗證功能，從而解決PLC難于支持多特性設備的綜合性、設計性和創新性的問題，為PLC在教學驗證方面提供了發展空間。本文是基于PLC與虛擬仿真技術，設計以人工分揀線為例的PLC虛擬仿真系統，從搭建3D虛擬現實場景開始，完成PLC的I/O分配、程序編寫、虛擬PLC的設置、通信連接等一系列的操作，將硬件虛擬在軟件仿真方面提供了有力支撐。不僅控制對象不受設備類型限制，而且較為逼真地、立體化展示了工作場景，把具體問題進行可視化，完善了PLC教學實踐設計內容。通過PLC高級仿真軟件的“牽線搭橋”構建PLC虛擬仿真控制系統，實現對虛擬場景設備執行環節的控制，為虛擬仿真實訓項目的開發另辟新徑，從而進一步拓寬了學生學習的廣度，提升遞進式思維能力，為學生提供一個自主探究與創新的學習平臺。

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Design of Direct Connect PLC Virtual Simulation System Based on VisualOne

In order to improve the teaching effect of PLC, this paper uses the virtual simulation software to design and debug the PLC project, takes the virtual equipment constituting the three-dimensional scene as the control object, realizes the data exchange between the virtual simulation equipment and PLC through PLC programming, robot programming and communication connection, and uses the PLC advanced simulation software, which can intuitively show the real-time operation process of the automatic control system of the industrial production line under the three-dimensional scene. It can not only reflect the physical performance consistent with the actual production line, but also realize the parallel design of mechanical structure action and PLC, which provides a broader development space for PLC practical teaching.

virtual simulation; data exchange; production line; concurrent design

TP391.9

A

1008-1151(2022)05-0001-04

2022-03-23

陜西省教育科學“十三五”規劃2020年度課題（SGH20Y1650）。

任曉敏（1977－），女，陜西乾縣人，西安航空職業技術學院副教授，研究方向為電氣工程及自動化控制。