基于OPC和組態技術的虛擬PLC監控系統研究

靳 雷，李秋紅

（河南質量工程職業學院，河南平頂山467001）

1 引言

近年來，隨著科學技術的快速發展，PLC（可編程控制器）作為一種專門應用于工業環境的自動化設備，廣泛應用于工業生產自動化的許多領域。在使用PLC 對各種自動化生產線及制造裝備進行控制時，對各類故障必須要做出實時、正確的反應。所設計的PLC 程序如果沒有經過檢驗而直接運用到實際生產之中，是具有風險性甚至危險性的。由于受環境和條件等因素的限制，在缺乏PLC以及控制對象等實物的情況下，結合PLC 編程軟件，利用上位機組態軟件全真模擬，既可以彌補上述不足，又可以采用動畫形式直觀地演示PLC 控制對象的工作過程［1－2］。

基于此，采用目前工業通信領域廣泛應用的OPC 技術，利用組態王和三菱編程軟件GX Developer 軟件，開發了一個虛擬PLC 監控系統仿真平臺，克服了單獨的程序仿真或是單獨的組態軟件仿真帶來的局限之處，極大地方便了程序的開發和調試。

2 全虛擬監控系統平臺的實現

2.1 軟件構成

GX Developer 是三菱PLC 的編程軟件，適用于三菱全系列可編程控制器的編程和調試。

GX Simulator 是三菱PLC 程序仿真軟件，具有離線調試功能，包括軟元件的監視測試，外部機器的I／O 模擬操作等。

三菱OPC 服務軟件（MX OPC Server），適用于三菱全系列PLC 和組態軟件的連接。OPC 全稱OLE for Process Contro1，是OPC 基金會組織倡導的工業控制和生產自動化領域中的硬件和軟件之間的標準接口。采用OPC 標準，不同的客戶軟件都將自己的數據暴露在統一的規范下，使得數據交換透明簡易，從而避免了繁雜的專項驅動軟件的開發、升級維護等工作［3］。

組態王軟件是一種通用的國產工業監控軟件，它具有圖形功能完備、界面一致性好、易學易用的特點，軟件結構由工程管理器、工程瀏覽器及運行系統三部分構成。

2.2 總體方案設計

采用三菱軟件GX Developer 作為PLC 編程平臺，利用GX Simulator 作為一個虛擬PLC 控制器，將編制好的程序在其中進行仿真；在組態王中進行PLC 控制對象的組態，作為虛擬的控制對象；虛擬的PLC 控制器與虛擬的控制對象之間通過OPC建立通信連接，進行高效可靠的數據交換；在監控界面中完成控制過程的展示［4－5］。監控系統仿真平臺結構框圖如圖1所示。

圖1 監控系統仿真平臺結構框圖

2.3 仿真實驗平臺構建

（1）安裝三菱編程軟件GX Developer 8.86，再安裝三菱仿真軟件GX Simulator v6。仿真軟件相當于一個插件被集成到編程軟件中，這時“梯形圖邏輯測試啟動”為白色，表示GX Simulator 安裝成功［6］，用戶可以在GX Developer 中進行三菱系列PLC 程序的編制，同時可以進行GX Simulator 控制程序仿真測試。

（2）安裝三菱OPC 服務軟件MX OPC Server4.20。點擊“開始程序MELSOFT ApplicationMX OPC Server4.20”打開MX Configurator；單擊“file／new”，彈出新建Access 文件窗口，輸入文件名，保存；點擊“Address／New Device”，彈出新建設備窗口，在其通訊設置中點擊“PC side I／F”按鈕，選擇GX Simulator（仿真軟件）；“Station type”選擇“Host station”，“CPU type”選擇與編程軟件中程序相一致的PLC類型，點擊“finish”完成新建設備的通訊設置，如圖2所示。在“Address Space”進行設備連接，新建“New Group”或“New Data Tag”，也可將建好的數據添加入其中某一數據組，要保證I／O 地址與編程軟件中的地址一致。完畢后可以進行通訊測試，點擊測試按鈕，在仿真軟件GX Simulator 運行的前提下，每一個變量通訊質量如顯示“Good”即為正常，如顯示“Bad”則為通訊中斷。

（3）安裝“Kingview6.55”，組態王中支持多OPC服務器。在使用OPC 服務器之前，需要先在組態王中建立OPC 服務器設備［7］。啟動組態王，新建工程，雙擊當前工程，在組態王工程瀏覽器的“設備”項目中選中“OPC 服務器”，工程瀏覽器的右側區域顯示當前工程中定義的OPC 設備和“新建OPC”圖標。雙擊“新建”圖標，組態王開始自動搜索當前的計算機系統中已經安裝的所有OPC 服務器，然后彈出“查看OPC 服務器”對話框，選擇“Mitsubish.MXOPC.4”，點擊“確定”按鈕，建立OPC 連接，如圖3所示。在“數據詞典中”新建“I／O 變量”條目下，輸入變量名，選擇變量類型，“連接設備”選擇“Mitsubish.MXOPC.4”，寄存器通過下拉菜單選擇相應值，讀寫屬性選擇“讀寫”。新建工程畫面，并為畫面元件建立相應的變量連接。

圖2 MX OPC Server 通訊設置畫面

圖3 組態王中OPC 服務器鏈接畫面

（4）運行三菱編程軟件GX Developer、仿真軟件GX Simulator 和kingview6.52，將虛擬設備的控制信號傳給PLC，因為OPC 軟件中的變量選擇“讀寫”模式，可以通過組態王控制仿真軟件中的程序運行，同時也可通過GX Simulator 中的虛擬元件來控制。觀察虛擬設備的運行情況是否符合要求，對具體問題展開分析，以便對控制程序或組態軟件的命令語言的相關設置進行修改，進而達到控制要求。

3 仿真平臺應用實例

以液體混合系統控制為例進行仿真實驗。

3.1 控制要求

混合裝置用來將兩種液體進行混合。具體控制要求如下：

（1）裝置投入運行前，要將液體A、B 的閥門關閉，混合液的閥門打開30s，將容器內的液體排空后關閉。

（2）按下啟動按鈕SB1，液體A 的閥門打開，液體A 流入容器；當液體A 的液面達到L2 時，關閉液體A 的閥門，打開液體B 的閥門。當液面達到L1 時，液體B 的閥門關閉，攪拌器則開始運轉，將液體A 和B 的混合液體進行攪勻。攪拌電機運轉60s 后停止，打開混合液體的閥門，將混合液體排出。當容器內的液面下降到L3 時，再經5s，混合液的閥門關閉。

（3）按下停止按鈕SB2 后，回到開機初始化狀態，等待按下啟動按鈕，開始下一個周期的操作。

3.2 I／O 分配及編程元件編號

控制系統輸入、輸出點分配表如表1所示。

表1 I／O 分配表

3.3 控制系統設計與調試

（1）打開GX Developer 編程軟件，創建控制工程。CPU 類型選擇FX2N（c），在寫入模式下進行控制程序的編制，完畢后進行程序的變換和程序檢查，通過“梯形圖邏輯測試啟動”下載到GX Simulator 中進行程序的仿真測試。

（2）在MX OPC Server 中建立與控制程序地址相對應的變量。

（3）在Kingview6.55 新建系統工程的設置。新建名叫“液體混合系統”，建立OPC 通訊，構建變量數據庫，進行組態監控界面（主畫面、報警、報表、實時曲線、歷史曲線）動態效果設計。

（4）對整個控制系統進行聯合仿真調試，應把編程軟件、OPC 服務軟件、組態王軟件均置于仿真運行測試狀態，以便對系統全面實驗。這時既可以通過改變GX Simulator 中的虛擬元件狀態來控制整個系統，也可以用組態王中的給定信號來控制。在本例中，程序編制的時候把反應器液位上限設為90L，下限設為l0L，中限設為50L。OPC 數據通訊監視界面和上位機監視畫面分別如圖4、圖5所示。從圖中不難看出數據通訊正常，變量狀態顯示一致，液位處于70L 位置，下限液位、中限液位的位置傳感器顯示綠色表示開關動作，與之相對應的液體A 閥門、混合閥門關閉，液體B 閥門打開，實現了系統的控制要求。

圖4 OPC 數據通訊監視畫面

圖5 上位機監視畫面

4 結束語

采用PLC 編程、仿真軟件和組態王軟件構建的監控系統仿真平臺，以OPC Sever 作為PLC 仿真軟件與組態王軟件數據通信的橋梁，在無PLC 硬件和控制對象等實物的條件下，以虛擬的被控實驗對象來模擬各種真實的被控對象，僅僅利用一臺PC 機，就可實現對各種復雜的控制系統進行實時監控仿真。利用該平臺，可以解決一些高校普遍存在試驗設備不足的問題。另外，對實際控制工程系統投入運行前，工程技術人員也可以利用該平臺進行系統調試，以便及時發現問題和解決問題，使系統風險大大降低。

［1］盧學英，李 瑩.PLC 實驗教學改革的研究［J］.實驗室科學，2007，（3）：35－36.

［2］葉 力，鄭 萍.基于GX 與MCGS 的全虛擬PLC 控制系統研究［J］.中國現代教育裝備，2007，58（12）：39－41.

［3］OPC 服務器軟件開發及在DCS 中的應用［J］.化工自動化及儀表，2007，34（1）：46－48.

［4］陳海生，鄭 萍.組態軟件與三菱虛擬PLC 通信構件的研究與實現［J］.自動化儀表，2006，33（12）：21－24.

［5］袁云龍.基于組態軟件的PLC 控制系統仿真實現［J］.自動化儀表，2006，27（5）：57－58，61.

［6］GXDeveloperVer.8 ／SimulatorVer.6 操作手冊［Z］.Mitsubishi，2006.

［7］組態王6.55 使用手冊［Z］.北京亞科技發展有限公司，2011.