基于OPC和組態(tài)技術(shù)的虛擬PLC監(jiān)控系統(tǒng)研究

靳 雷，李秋紅

（河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院，河南平頂山467001）

1 引言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，PLC（可編程控制器）作為一種專門應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境的自動化設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)自動化的許多領(lǐng)域。在使用PLC 對各種自動化生產(chǎn)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(yīng)。所設(shè)計的PLC 程序如果沒有經(jīng)過檢驗而直接運用到實際生產(chǎn)之中，是具有風(fēng)險性甚至危險性的。由于受環(huán)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(jié)合PLC 編程軟件，利用上位機組態(tài)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(yè)通信領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的OPC 技術(shù)，利用組態(tài)王和三菱編程軟件GX Developer 軟件，開發(fā)了一個虛擬PLC 監(jiān)控系統(tǒng)仿真平臺，克服了單獨的程序仿真或是單獨的組態(tài)軟件仿真帶來的局限之處，極大地方便了程序的開發(fā)和調(diào)試。

2 全虛擬監(jiān)控系統(tǒng)平臺的實現(xiàn)

2.1 軟件構(gòu)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(diào)試。

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

三菱OPC 服務(wù)軟件（MX OPC Server），適用于三菱全系列PLC 和組態(tài)軟件的連接。OPC 全稱OLE for Process Contro1，是OPC 基金會組織倡導(dǎo)的工業(yè)控制和生產(chǎn)自動化領(lǐng)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(shù)據(jù)暴露在統(tǒng)一的規(guī)范下，使得數(shù)據(jù)交換透明簡易，從而避免了繁雜的專項驅(qū)動軟件的開發(fā)、升級維護等工作［3］。

組態(tài)王軟件是一種通用的國產(chǎn)工業(yè)監(jiān)控軟件，它具有圖形功能完備、界面一致性好、易學(xué)易用的特點，軟件結(jié)構(gòu)由工程管理器、工程瀏覽器及運行系統(tǒng)三部分構(gòu)成。

2.2 總體方案設(shè)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(tài)王中進行PLC 控制對象的組態(tài)，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(shù)據(jù)交換；在監(jiān)控界面中完成控制過程的展示［4－5］。監(jiān)控系統(tǒng)仿真平臺結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)仿真平臺結(jié)構(gòu)框圖

2.3 仿真實驗平臺構(gòu)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(dāng)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(wù)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(shè)備窗口，在其通訊設(shè)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(shè)備的通訊設(shè)置，如圖2所示。在“Address Space”進行設(shè)備連接，新建“New Group”或“New Data Tag”，也可將建好的數(shù)據(jù)添加入其中某一數(shù)據(jù)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(zhì)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(tài)王中支持多OPC服務(wù)器。在使用OPC 服務(wù)器之前，需要先在組態(tài)王中建立OPC 服務(wù)器設(shè)備［7］。啟動組態(tài)王，新建工程，雙擊當(dāng)前工程，在組態(tài)王工程瀏覽器的“設(shè)備”項目中選中“OPC 服務(wù)器”，工程瀏覽器的右側(cè)區(qū)域顯示當(dāng)前工程中定義的OPC 設(shè)備和“新建OPC”圖標。雙擊“新建”圖標，組態(tài)王開始自動搜索當(dāng)前的計算機系統(tǒng)中已經(jīng)安裝的所有OPC 服務(wù)器，然后彈出“查看OPC 服務(wù)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(shù)據(jù)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(shè)備”選擇“Mitsubish.MXOPC.4”，寄存器通過下拉菜單選擇相應(yīng)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(yīng)的變量連接。

圖2 MX OPC Server 通訊設(shè)置畫面

圖3 組態(tài)王中OPC 服務(wù)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(shè)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(tài)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(shè)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(tài)軟件的命令語言的相關(guān)設(shè)置進行修改，進而達到控制要求。

3 仿真平臺應(yīng)用實例

以液體混合系統(tǒng)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(guān)閉，混合液的閥門打開30s，將容器內(nèi)的液體排空后關(guān)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(dāng)液體A 的液面達到L2 時，關(guān)閉液體A 的閥門，打開液體B 的閥門。當(dāng)液面達到L1 時，液體B 的閥門關(guān)閉，攪拌器則開始運轉(zhuǎn)，將液體A 和B 的混合液體進行攪勻。攪拌電機運轉(zhuǎn)60s 后停止，打開混合液體的閥門，將混合液體排出。當(dāng)容器內(nèi)的液面下降到L3 時，再經(jīng)5s，混合液的閥門關(guān)閉。

（3）按下停止按鈕SB2 后，回到開機初始化狀態(tài)，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(tǒng)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(tǒng)設(shè)計與調(diào)試

（1）打開GX Developer 編程軟件，創(chuàng)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(yīng)的變量。

（3）在Kingview6.55 新建系統(tǒng)工程的設(shè)置。新建名叫“液體混合系統(tǒng)”，建立OPC 通訊，構(gòu)建變量數(shù)據(jù)庫，進行組態(tài)監(jiān)控界面（主畫面、報警、報表、實時曲線、歷史曲線）動態(tài)效果設(shè)計。

（4）對整個控制系統(tǒng)進行聯(lián)合仿真調(diào)試，應(yīng)把編程軟件、OPC 服務(wù)軟件、組態(tài)王軟件均置于仿真運行測試狀態(tài)，以便對系統(tǒng)全面實驗。這時既可以通過改變GX Simulator 中的虛擬元件狀態(tài)來控制整個系統(tǒng)，也可以用組態(tài)王中的給定信號來控制。在本例中，程序編制的時候把反應(yīng)器液位上限設(shè)為90L，下限設(shè)為l0L，中限設(shè)為50L。OPC 數(shù)據(jù)通訊監(jiān)視界面和上位機監(jiān)視畫面分別如圖4、圖5所示。從圖中不難看出數(shù)據(jù)通訊正常，變量狀態(tài)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(guān)動作，與之相對應(yīng)的液體A 閥門、混合閥門關(guān)閉，液體B 閥門打開，實現(xiàn)了系統(tǒng)的控制要求。

圖4 OPC 數(shù)據(jù)通訊監(jiān)視畫面

圖5 上位機監(jiān)視畫面

4 結(jié)束語

采用PLC 編程、仿真軟件和組態(tài)王軟件構(gòu)建的監(jiān)控系統(tǒng)仿真平臺，以O(shè)PC Sever 作為PLC 仿真軟件與組態(tài)王軟件數(shù)據(jù)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(xiàn)對各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)進行實時監(jiān)控仿真。利用該平臺，可以解決一些高校普遍存在試驗設(shè)備不足的問題。另外，對實際控制工程系統(tǒng)投入運行前，工程技術(shù)人員也可以利用該平臺進行系統(tǒng)調(diào)試，以便及時發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，使系統(tǒng)風(fēng)險大大降低。

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

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

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

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

［5］袁云龍.基于組態(tài)軟件的PLC 控制系統(tǒng)仿真實現(xiàn)［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(tài)王6.55 使用手冊［Z］.北京亞科技發(fā)展有限公司，2011.