基于組態軟件的全虛擬PLC教學系統實現及應用

◆王寶林

基于組態軟件的全虛擬PLC教學系統實現及應用

◆王寶林

提出基于Kingview組態軟件及GX Simulator、MX OPC sever的全虛擬仿真教學系統方案。教學實踐表明，全虛擬仿真教學系統的應用，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；組態王軟件；全虛擬模式；OPC；教學系統

1 利用組態軟件開發的PLC仿真教學系統

PLC課程教學現狀 可編程邏輯控制器（PLC）應用廣泛，是職業院校機電類專業 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量上難以滿足教學要求，影響了PLC教學的效果。

基于組態軟件的PLC仿真教學系統 組態控制技術（Supervision Control and Data Acquisition）常用于工業控制系統的監控，它為用戶提供設備驅動、數據采集、數據處理、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控系統。組態軟件具有成熟的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可以與組態軟件數據庫中的數據鏈接，這些數據又與界面上顯示的圖形對象有關聯。這樣在PLC編程調試過程中，可以利用組態軟件的組態動畫代替PLC控制對象，在計算機屏幕上觀察PLC控制系統的控制過程和結果[1]。

用組態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發出的輸出信號、脈沖信號和各種數值信號等控制信號，并且能與PLC進行各種數據的傳輸，從而反映出PLC與組態虛擬對象及控制結果之間的關系。利用組態軟件的這些功能，可以開發出各種虛擬的工業控制模型，用于PLC課程教學的編程調試。

組態軟件教學系統優勢 利用組態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、傳輸計件控制系統、售貨機系統、機械手控制系統、電梯控制系統等。組態虛擬對象能以按扭、滑動標尺、數值輸入等方式向PLC發出各種命令及輸入各種參數，也可以通過界面輸出顯示PLC各個變量的值以及狀態[2]。所以用組態軟件構建的教學系統還可以仿真觸摸屏控制，學生可以在組態軟件開發環境下進行觸摸屏界面開發，利用組態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，用組態軟件構建的步進電機控制系統，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、運行步數設置（設置PLC數據寄存器值），對已運行的步數進行顯示（輸出PLC數據寄存器值），同時步進電機模型可以動態地展示步進電機運行狀態，教學效果非常好。

基于組態軟件的PLC教學系統，可以很方便地仿真出各種工業控制效果，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，虛擬的仿真系統控制對象更加豐富，教學內容也更豐富，擴展了學生的工程應用經驗。

連接真實PLC硬件仿真系統的不足 基于組態軟件的實物PLC仿真教學系統，雖然虛擬出了PLC被控對象，但仍需要真實的PLC與組態軟件連接。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王（Kingview）組態軟件和GX Simulator的全虛擬仿真系統方案，虛擬PLC、虛擬被控對象的全虛擬教學系統的實現，達到了更少硬件投入、應用更方便的目的。

2 全虛擬的PLC教學系統的構成

全虛擬仿真系統連接框圖如圖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服務軟件與組態王OPC服務器組成虛擬的通信接口，實現PLC程序控制組態實訓畫面運行，完成控制對象的控制，從而實現全虛擬方式的運行。

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仿真系統連接框圖

GX Simulator和組態王軟件通過MX OPC server進行通信連接，建立基于組態王軟件的監控界面和GX Simulator的對應信息交互，實現PLC仿真運行與虛擬控制設備的對應關系，在PC機上實現PLC編程調試功能。

1）GX Simulator。GX Simulator是三菱公司開發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用于工業過程控制，是在工業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技術通常在數據采集軟件中廣泛應用，現在眾多硬件廠商提供的產品均帶有標準OPC接口。OPC實現了應用程序和工業控制設備之間高效、靈活的數據讀寫，借助Microsoft的DCOM（分散式組件對象模型）技術，OPC實現了高性能的遠程數據訪問能力，從而使得工業控制軟件之間的數據交換更加方便[5]。

3）MX OPC sever。MX OPC sever是由三菱公司開發的一套符合OPC規范的程序組。MX OPC Server自帶OPC客戶端工具，可直接讀寫PLC數據；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）組態王與OPC。組態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、通用總線協議驅動接口等。組態王作為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，組態王本身也可以充當OPC服務器，向其他符合OPC規范的廠商的控制系統提供數據。組態王還能與其他支持OPC功能的軟件（如其他廠商的組態軟件、三菱OPC Server軟件）建立連接，進行數據的交換[6]。OPC與其他軟件的連接可以通過本機的OPC進行（組態王和其他軟件安裝于同一臺計算機），也可以是通過網絡的OPC連接。組態王的這些功能可以方便用戶在工程項目中輕松實現不同軟件之間的集成和數據傳輸。

3 全虛擬仿真教學系統開發及通信配置

在PC機端依次安裝GX Developer、GX Simulator、MX OPC sever、組態王軟件。這里以三層電梯控制系統為例，介紹全虛擬系統的實現。

MX OPC sever設置

1）創建設備：全虛擬仿真系統的OPC通信方式中，MX OPC sever作為OPC服務器端，組態王作為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），創建數據文件，并在文件中創建新的設備。

2）定義數據項：在新建的設備中添加數據群組，并在群組里添加電梯實訓項目所需的所有數據項，并將數據項名稱改成與PLC相對應的變量名，如PLC輸入端口的“X0”，輸出端口的“Y0”等。新建好所有數據項后，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據設備。

電梯實訓系統組態畫面開發

1）創建電梯仿真系統工程，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：波特率9600 bps，偶校驗，7位數據位，1位停止位，RS232通信方式。

2）添加三層電梯系統工程開發需要的變量，包括內存變量和I/O變量。

3）按照電梯系統工程要求制作監控畫面，選定相關圖形對象，通過定義動畫并使靜態畫面隨著過程控制對象產生動態效果。

4）三層電梯系統相對比較復雜，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編程實訓組態畫面如圖3所示。

組態王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工程，在組態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，此時系統會自動搜索本計算機中已經安裝的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編程實訓組態畫面

圖4 OPC服務器連接設置

圖5 全虛擬方式數據詞典的設置

2）組態王數據詞典的連接。OPC服務器與組態王數據詞典的連接設置方式與實物PLC數據詞典的設置方式相同。如圖5所示，在組態王工程瀏覽器中點擊“數據變量”，在右側窗口中選擇相應的數據變量。如對于組態工程的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據項“X1”，設置好數據的類型和讀寫屬性，即可實現OPC服務器與組態王數據詞典的連接。此時，虛擬PLC的X1端口數據便與組態王的X1數據變量實現了對應。

電梯實訓系統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，則數據詞典中相應數據變量連接設備選擇“新I/O設備”，“新I/O設備”創建工程時定義為COM1口的三菱FX2編程口。此時實訓頁面的數據與三菱FX2編程口進行數據鏈接，即可連接實物PLC進行編程實訓。

全虛擬系統的運行 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；然后打開組態王運行系統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。系統使用時不需要打開MX OPC server軟件，組態王軟件也不必再進行設置，應用非常方便。

4 全虛擬PLC教學系統的應用

全虛擬PLC教學系統的優勢 全虛擬的教學系統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，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，實現了只需一臺計算機就可以實現高水平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，數據刷新指令和PID控制等指令不能使用，不支持的指令GX simulator作為NOP處理。

2）組態王與三菱OPC服務器之間的通信連接，不支持I/O整數、實數類型的數據通信。在全虛擬方式中，組態王不能讀寫PLC內部整數、實數類型數據，在只有I/O離散類型數據通訊的三層電梯教學系統中，全虛擬方式和實物PLC方式應用沒有區別。

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數據寄存器D寫入數據，以設定步進電機的運行步數或步進間隔等值，另外還需通過讀取PLC數據寄存器D中的數值以顯示步進電機運行的步數。在全虛擬方式中，因為數據通訊類型不支持，這部分功能將不能實現，而這些功能在組態仿真系統連接真實PLC的情況下可順利實現。

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

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

[3]鄭敏,鄭萍.全虛擬PLC實驗系統的實現及教學應用[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]北京亞控科技發展公司.組態王中級培訓教程[EB/OL].[2012-01-31].http://wenku.baidu.com/view/511059ebaeaad1f 346933fcd.html.

TP315

B

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）。