基于组态软件的全虚拟PLC教学系统实现及应用

　1 利用组态软件开发的PLC仿真教学系统
　　PLC课程教学现状 可编程逻辑控制器（PLC）应用广泛，是职业院校机电类专业的一门核心主干课程。PLC编程知识的巩固需要精讲多练，需要搭建良好的实训平台，多开设与工业实际应用紧密结合的实训项目。而实际情况却因为受到场所、设备、资金等诸多客观条件的限制，各学校难以在实训室配备大量的实物工控设备，导致PLC教学实训设备在种类和数量上难以满足教学要求，影响了PLC教学的效果。
　　基于组态软件的PLC仿真教学系统 组态控制技术（Supervision Control and Data Acquisition）常用于工业控制系统的监控，它为用户提供设备驱动、数据采集、数据处理、流程控制、动画显示、报警处理、报表输出等操作工具，常用于生成上位机监控系统。组态软件具有成熟的I/O接口设备驱动，可以与各类型PLC进行通讯，PLC内部各种继电器的状态可以与组态软件数据库中的数据链接，这些数据又与界面上显示的图形对象有关联。这样在PLC编程调试过程中，可以利用组态软件的组态动画代替PLC控制对象，在计算机屏幕上观察PLC控制系统的控制过程和结果[1]。
　　用组态软件制作的仿真被控对象，可以像实物被控对象一样，既可以向PLC发出如开关控制信号、传感器信号、中断信号等各种命令信号，也可以接受PLC发出的输出信号、脉冲信号和各种数值信号等控制信号，并且能与PLC进行各种数据的传输，从而反映出PLC与组态虚拟对象及控制结果之间的关系。利用组态软件的这些功能，可以开发出各种虚拟的工业控制模型，用于PLC课程教学的编程调试。
　　组态软件教学系统优势 利用组态软件三维虚拟空间进行设计，可以模拟出多种真实场景，如立体仓库控制系统、传输计件控制系统、售货机系统、机械手控制系统、电梯控制系统等。组态虚拟对象能以按扭、滑动标尺、数值输入等方式向PLC发出各种命令及输入各种参数，也可以通过界面输出显示PLC各个变量的值以及状态[2]。所以用组态软件构建的教学系统还可以仿真触摸屏控制，学生可以在组态软件开发环境下进行触摸屏界面开发，利用组态软件丰富的图形库对象，可以构建出比真实触摸屏更直观生动的控制画面。
　　如图1所示，用组态软件构建的步进电机控制系统，达到与真实触摸屏一样的控制效果，其中包括对步进电机的速度、运行步数设置（设置PLC数据寄存器值），对已运行的步数进行显示（输出PLC数据寄存器值），同时步进电机模型可以动态地展示步进电机运行状态，教学效果非常好。
　　基于组态软件的PLC教学系统，可以很方便地仿真出各种工业控制效果，给编程和调试带来很大方便。在没有增加硬件成本的情况下，解决了PLC编程控制对象的问题，提供了足够的工位给予学生编程学习。相比较于真实工控设备的PLC教学系统，虚拟的仿真系统控制对象更加丰富，教学内容也更丰富，扩展了学生的工程应用经验。
　　连接真实PLC硬件仿真系统的不足 基于组态软件的实物PLC仿真教学系统，虽然虚拟出了PLC被控对象，但仍需要真实的PLC与组态软件连接。这样，PLC课程的编程实验常局限于实训室，时间局限于正常上课时间。本文提出一种基于组态王（Kingview）组态软件和GX Simulator的全虚拟仿真系统方案，虚拟PLC、虚拟被控对象的全虚拟教学系统的实现，达到了更少硬件投入、应用更方便的目的。
　　2 全虚拟的PLC教学系统的构成
　　全虚拟仿真系统连接框图如图2所示，采用GX Developer作为编程平台，将编制好的梯形图程序写入GX Simulator，GX Simulator作为一个模拟PLC运行的虚拟控制器[3]。通过三菱的OPC服务软件与组态王OPC服务器组成虚拟的通信接口，实现PLC程序控制组态实训画面运行，完成控制对象的控制，从而实现全虚拟方式的运行。
　　GX Simulator和组态王软件通过MX OPC server进行通信连接，建立基于组态王软件的监控界面和GX Simulator的对应信息交互，实现PLC仿真运行与虚拟控制设备的对应关系，在PC机上实现PLC编程调试功能。
　　1）GX Simulator。GX Simulator是三菱公司开发的一款梯形图仿真调试工具软件，在安装有GX Developer的计算机内追加安装GX Simulator，能够实现程序的仿真调试。GX Simulator可模拟可编程控制器CPU本体功能，可以使得程序的调试脱离真实PLC，实现不在线调试。使用GX Simulator能够在一台计算机上进行顺控程序的开发和调试，能够更有效地进行顺控程序修正后的确认。另外，GX Simulator还具有模拟I/O系统设定以及串行通信等其他功能[4]。
　　2）OPC技术。OPC（OLE for Process Control）即OLE用于工业过程控制，是在工业控制和生产自动化领域中使用的硬件和软件的接口标准。OPC技术通常在数据采集软件中广泛应用，现在众多硬件厂商提供的产品均带有标准OPC接口。OPC实现了应用程序和工业控制设备之间高效、灵活的数据读写，借助Microsoft的DCOM（分散式组件对象模型）技术，OPC实现了高性能的远程数据访问能力，从而使得工业控制软件之间的数据交换更加方便[5]。
　　3）MX OPC sever。MX OPC sever是由三菱公司开发的一套符合OPC规范的程序组。MX OPC Server自带OPC客户端工具，可直接读写PLC数据；支持三菱所有系列的PLC，支持三菱仿真软件GX simulator，支持的接口有编程口、串口、以太网口、CC-link等；兼容多种高级语言，诸如Visual C++、Visual Basic和Access Excel的VBA、VBScript等。
　　4）组态王与OPC。组态王作为一个通用的工控软件平台，提供开放式的通讯接口，如OPC、DDE、通用总线协议驱动接口等。组态王作为OPC客户端可以同时挂接多个OPC服务器，每个OPC服务器都被看作一个外部设备。同时，组态王本身也可以充当OPC服务器，向其他符合OPC规范的厂商的控制系统提供数据。组态王还能与其他支持OPC功能的软件（如其他厂商的组态软件、三菱OPC Server软件）建立连接，进行数据的交换[6]。OPC与其他软件的连接可以通过本机的OPC进行（组态王和其他软件安装于同一台计算机），也可以是通过网络的OPC连接。组态王的这些功能可以方便用户在工程项目中轻松实现不同软件之间的集成和数据传输。
　　3 全虚拟仿真教学系统开发及通信配置
　　在PC机端依次安装GX Developer、GX Simu lator、MX OPC sever、组态王软件。这里以三层电梯控制系统为例，介绍全虚拟系统的实现。
　　MX OPC sever设置
　　1）创建设备：全虚拟仿真系统的OPC通信方式中，MX OPC sever作为OPC服务器端，组态王作为OPC客户端。打开MX OPC Configurator，在“PC side I/F”项选择GX simulator，PLC类型选择FX2N（C），创建数据文件，并在文件中创建新的设备。
　　2）定义数据项：在新建的设备中添加数据群组，并在群组里添加电梯实训项目所需的所有数据项，并将数据项名称改成与PLC相对应的变量名，如PLC输入端口的“X0”，输出端口的“Y0”等。新建好所有数据项后，退出MX OPC sever时，在弹出的窗口中选择刚才新建的设备为当前活动的数据设备。
　　电梯实训系统组态画面开发
　　1）创建电梯仿真系统工程，并进行相应通信配置。电梯实训项目要求在连接真实PLC和全虚拟方式下都能运行，所以还需添加连接实物PLC的硬件设备，并进行相应的通讯设置。在工程浏览器下，设置设备接口COM1，选择COM1端口连接FX2系列编程口，并设置通讯参数：波特率9600 bps，偶校验，7位数据位，1位停止位，RS232通信方式。
　　2）添加三层电梯系统工程开发需要的变量，包括内存变量和I/O变量。
　　3）按照电梯系统工程要求制作监控画面，选定相关图形对象，通过定义动画并使静态画面随着过程控制对象产生动态效果。
　　4）三层电梯系统相对比较复杂，通过对图形画面脚本程序的编写以完成较复杂的操作上位控制。
　　三层电梯PLC编程实训组态画面如图3所示。
　　组态王OPC通讯配置
　　1）OPC服务器设置。如图4所示，打开三层电梯实训系统工程，在组态王工程浏览器窗口中，选择设备项目中“OPC服务器”项，在右侧窗口中双击“新建OPC”图标，此时系统会自动搜索本计算机中已经安装的OPC服务器，并将搜索到的所有OPC服务器显示于窗口右侧。此处选择三菱GX OPC sever创建的.4 OPC服务器进行连接，完成OPC设备的建立。
　　2）组态王数据词典的连接。OPC服务器与组态王数据词典的连接设置方式与实物PLC数据词典的设置方式相同。如图5所示，在组态王工程浏览器中点击“数据变量”，在右侧窗口中选择相应的数据变量。如对于组态工程的I/O变量X1，在“连接设备”选项选择.4设备，然后在“寄存器”选项下拉菜单中选择对应数据项“X1”，设置好数据的类型和读写属性，即可实现OPC服务器与组态王数据词典的连接。此时，虚拟PLC的X1端口数据便与组态王的X1数据变量实现了对应。
　　电梯实训系统设计在全虚拟方式以及连接实物PLC方式都可以运行，如果选择连接真实PLC编程调试，则数据词典中相应数据变量连接设备选择“新I/O设备”，“新I/O设备”创建工程时定义为COM1口的三菱FX2编程口。此时实训页面的数据与三菱FX2编程口进行数据链接，即可连接实物PLC进行编程实训。
　　全虚拟系统的运行 应用时，打开GX Developer，编写电梯PLC控制程序并点击梯形图逻辑测试启动（Ladder logic test，LLT），此时梯形图程序下载至GX Simulator，此时GX Simulator即相当于虚拟PLC，且虚拟PLC自动置RUN状态；然后打开组态王运行系统进入电梯实训仿真页面，此时实训仿真页面与虚拟PLC便自动建立连接，即可观察程序控制电梯运行的效果，以进行程序的调试与修改。系统使用时不需要打开MX OPC server软件，组态王软件也不必再进行设置，应用非常方便。
　　4 全虚拟PLC教学系统的应用
　　全虚拟PLC教学系统的优势 全虚拟的教学系统无需投入任何硬件设施，也不需要任何维护费用，提供了高性价比的学习模式；应用时等同于实物PLC实训系统，不需要繁琐的设置过程，非常方便；全虚拟方式彻底摆脱了实训室，实现了只需一台计算机就可以实现高水平PLC编程实训，实训内容不受实训室设备的限制；编程练习不仅限于实训室上课时间，学生在课后可以利用自己的计算机随时随地进行编程练习，在学习的时间和空间上进行了最大限度的延伸。实践教学效果表明，全虚拟仿真系统的应用，对巩固学生所学编程知识、提高学生的PLC应用水平起到积极的作用。
　　全虚拟PLC教学系统的不足
　　1）因GX simulator对部分编程指令不支持，对于三菱FX系列，数据刷新指令和PID控制等指令不能使用，不支持的指令GX simulator作为NOP处理。
　　2）组态王与三菱OPC服务器之间的通信连接，不支持I/O整数、实数类型的数据通信。在全虚拟方式中，组态王不能读写PLC内部整数、实数类型数据，在只有I/O离散类型数据通讯的三层电梯教学系统中，全虚拟方式和实物PLC方式应用没有区别。
　　对于图例1的步进电机实训项目，需要通过仿真触摸屏页面向PLC数据寄存器D写入数据，以设定步进电机的运行步数或步进间隔等值，另外还需通过读取PLC数据寄存器D中的数值以显示步进电机运行的步数。在全虚拟方式中，因为数据通讯类型不支持，这部分功能将不能实现，而这些功能在组态仿真系统连接真实PLC的情况下可顺利实现。
　　参考文献
　　[1]王宝林.基于组态软件的PLC仿真教学系统设计[J].轻工科技，2013（5）：111-112.
　　[2]王春.基于组态软件的PLC实验教学系统[D].四川：西华大学，2009：1-10.
　　[3]郑敏，郑萍.全虚拟PLC实验系统的实现及教学应用[J].高等教育研究，2011（3）：51-53.
　　[4]三菱电机有限公司.GX Developer Ver.8/ Simulator Ver.6操作手册[M].2008.
　　[5]魏洪新.OPC技术在工业控制领域的应用研究[J].河北煤炭，2009（1）：12.
　　[6]北京亚控科技发展公司.组态王中级培训教程[EB/OL].