全 虛 擬 PLC 實(shí) 驗(yàn) 教 學(xué) 系 統(tǒng) 開 發(fā)

許雯娜， 王 春， 唐 龍， 廖映華

(四川理工學(xué)院 a. 機(jī)械工程學(xué)院; b. 過程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 自貢 643000)

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全 虛 擬 PLC 實(shí) 驗(yàn) 教 學(xué) 系 統(tǒng) 開 發(fā)

許雯娜a,b， 王 春a,b， 唐 龍a， 廖映華a,b

(四川理工學(xué)院 a. 機(jī)械工程學(xué)院; b. 過程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 自貢 643000)

PLC相關(guān)課程是機(jī)電類專業(yè)的一門必修課程。由于該課程具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐性，所以對(duì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)有著較高的要求。針對(duì)PLC傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的不足，提出了全虛擬PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由三菱PLC編程軟件GX Developer、三菱OPC服務(wù)軟件MX OPC Server與組態(tài)王KingView6.55組成，可實(shí)現(xiàn)全虛擬的仿真教學(xué)效果，以軟件的形式便可完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，有效解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本高、教學(xué)方式不夠靈活、受時(shí)間與地理位置的影響等問題，具有實(shí)驗(yàn)成本低、通用性強(qiáng)、免維護(hù)、易擴(kuò)展等特點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。

PLC； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 組態(tài)； GX Developer； OPC

0 引 言

“機(jī)電傳動(dòng)技術(shù)”是機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)一門必修課程。由于PLC具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐性，所以對(duì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)有著較高的要求[1-3]。PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展歷程分為3個(gè)階段，如表1所示。

表1 PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展歷程

(1) 第一階段。第一階段的教學(xué)實(shí)驗(yàn)由硬件PLC和實(shí)驗(yàn)箱、實(shí)驗(yàn)臺(tái)等雙硬件設(shè)備構(gòu)成。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)存在以下幾點(diǎn)不足：① 實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本高，采購(gòu)和維護(hù)設(shè)備需大量人力物力；② 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)體積大，需要專門的較大的場(chǎng)所放置實(shí)驗(yàn)設(shè)備；③ 系統(tǒng)擴(kuò)展性差，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一；④ 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單一，導(dǎo)致“自 動(dòng)化孤島效應(yīng)”現(xiàn)象[4]。

(2) 第二階段。第二階段采用硬件PLC和組態(tài)軟件仿真的單硬件系統(tǒng)。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)由組態(tài)軟件仿真各類控制對(duì)象，再與PLC聯(lián)調(diào)，可直觀的在電腦上形象的體現(xiàn)被控對(duì)象的運(yùn)行情況。相比第一階段，不用采購(gòu)硬件被控對(duì)象，系統(tǒng)擴(kuò)展性也大大增強(qiáng)。但在實(shí)際教學(xué)過程中，由于實(shí)驗(yàn)室硬件PLC設(shè)備有限，通常是幾位同學(xué)為一組分配硬件PLC開展實(shí)驗(yàn)。對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果有一定影響。

(3) 第三階段。在多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上，開發(fā)了全虛擬PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，采用軟件PLC和組態(tài)軟件仿真的雙軟件系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：① 很大程度地節(jié)省了實(shí)驗(yàn)、教學(xué)成本[5]；② 讓整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)變得更加靈活多變[6-7]；③ 不再受時(shí)間與地理位置的影響，學(xué)生可以按需進(jìn)行后期的拓展[8-10]。

1 系統(tǒng)的組成

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于本次所提出的PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)為全虛擬的教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由相關(guān)軟件在PC機(jī)進(jìn)行虛擬的通信連接，從而完成整個(gè)的仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)主要由三菱編程軟件GX Developer、三菱OPC服務(wù)軟件MX OPC Server和組態(tài)王kingview 6.55 3部分組成[11]。

1.2 系統(tǒng)方案

全虛擬的PLC教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用三菱編程軟件GX Developer作為PLC程序的編制平臺(tái)，三菱仿真軟件GX Simulator則作為類似于硬件PLC的虛擬控制器，組態(tài)王kingview 6.55作為控制器的控制對(duì)象，然后通過OPC服務(wù)軟件將PLC軟件與組態(tài)軟件進(jìn)行連接，最終實(shí)現(xiàn)通過PLC程序?qū)Ρ豢貙?duì)象的控制，從而達(dá)到全虛擬的仿真教學(xué)效果[12-14]。全虛擬PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)如圖1所示。

2 全虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

2.1 軟件安裝

(1) 安裝三菱編程軟件GX DEVELOPER與三菱仿真軟件GX_Simulator。

(2) 安裝三菱OPC服務(wù)軟件MX OPC Server，系列碼DEMO。

(3) 安裝組態(tài)王kingview 6.55。

2.2 通信參數(shù)設(shè)置

(1) 打開“MX Configurator”單擊“file/new”，新建Access文件；點(diǎn)擊“Address/New Device”，彈出新建設(shè)備窗口，選擇與編寫程序運(yùn)用的PLC一致的型號(hào)，完成通訊設(shè)置；在新建立的通信設(shè)置下點(diǎn)擊“New DataTag”建立與PLC程序?qū)?yīng)的I/O變量如圖2所示。

圖1 全虛擬PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

(2) 以上設(shè)置好后，啟動(dòng)“PLC Monitor Utility”仿真，點(diǎn)擊“Wizard”,選擇“GX_Simulator”nextok，進(jìn)行軟件仿真。然后啟動(dòng)“MX OPC Server”。

圖2 建立I/O變量

(3) 啟動(dòng)“kingview6.55”，雙擊當(dāng)前工程，點(diǎn)擊OPC服務(wù)器，雙擊新建，彈出窗口，選擇“Mitsubish.MXOPC.4”,并選擇“同步讀”“同步寫”，點(diǎn)擊“確定”按鈕，建立OPC連接，如圖3所示。

圖3 建立OPC服務(wù)器

(4) 點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)詞典中”新建“I/O變量”：輸入變量名，選擇“I/O離散”，“連接設(shè)備”選擇“Mitsubish.MXOPC.4”，寄存器選擇相應(yīng)值，如“x”“y”“M”等，數(shù)據(jù)類型選擇“Bit”，讀寫屬性選擇“讀寫”，采用相同方法，在數(shù)據(jù)詞典中建立其它變量如圖4所示。

圖4 定義組態(tài)變量

2.3 建立通信連接

完成通信參數(shù)設(shè)置后，就需要建立通信連接。建立通信連接步驟：① 打開先前編寫好的PLC程序；② 打開三菱仿真軟件GX_Simulator；③ 打開三菱OPC服務(wù)軟件MX OPC Server查看連接是否成功，通訊變量顯示為“Good”表示仿真PLC軟件與三菱OPC服務(wù)軟件通信成功如圖5所示；④ 啟動(dòng)“kingview 6.55”建立相應(yīng)的畫面連接后，運(yùn)行組態(tài)王“view”查看被控對(duì)象是否按照PLC控制程序進(jìn)行動(dòng)作，若是則表示整個(gè)通信連接建立成功。

圖5 查看通信連接

3 仿真平臺(tái)應(yīng)用實(shí)例

以8×4層智能圓柱式立體車庫的控制為例進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

3.1 控制要求

(1) 4層圓柱式立體車庫最多可以停放31輛汽車。一層可以停放7輛，二、三、四層可以各停放8輛，車位編號(hào)分別為1，2，3，…，31；其中一層的空車位設(shè)計(jì)為存取車車位，正常時(shí)不能停放汽車。

(2) 在存車時(shí)，只需要點(diǎn)取存車按鍵，系統(tǒng)將對(duì)所存的汽車自動(dòng)編排存車位置。如果最開始，車庫沒有存車全為空位，系統(tǒng)在存車時(shí)將按照車位編號(hào)從小到大的順序依次存車，直到把車庫存滿為止。如果當(dāng)車庫存到2層的某一個(gè)位置時(shí)，有顧客要在這一過程中取出，假設(shè)所取車輛為第一層某個(gè)車位，在下一次存車時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)判斷將車存入第一層，這樣使系統(tǒng)更加節(jié)能，效率更加高效。

(3) 在取車時(shí)，通過輸入取出位置后，按下取出按鍵，系統(tǒng)將根據(jù)輸入的命令取出對(duì)應(yīng)位置的車輛[15]。

3.2 I/O分配

8×4層智能圓柱式立體車庫控制系統(tǒng)輸入、輸出如表2所示。

表2 I/O分配表

3.3 控制系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)

(1) 利用GX Developer 編程軟件編制控制系統(tǒng)程序，并利用其GX Simulator仿真軟件對(duì)編制的程序進(jìn)行調(diào)試。

(2) 在三菱OPC服務(wù)軟件MX OPC Server與組態(tài)王kingview6.55中建立與編制的程序中對(duì)應(yīng)地址的I/O變量。

(3) 在對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試時(shí)，需要將三菱仿真軟件GX Simulator、三菱OPC服務(wù)軟件MX OPC Server和組態(tài)王kingview6.55的仿真都置于打開狀態(tài)，才能進(jìn)行GX與組態(tài)王之間的通信，在這里三菱OPC服務(wù)軟件起到了1個(gè)中間連接的作用。在進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)仿真調(diào)試時(shí)可以通過三菱仿真軟件GX Simulator中的軟元件來控制整個(gè)系統(tǒng)，也可以通過組態(tài)王中指定的控制信號(hào)來控制整系統(tǒng)，通過這一點(diǎn)說明GX與組態(tài)王通信時(shí)是1個(gè)同步讀寫的過程。

(4) 由于本次采用的實(shí)例為三維動(dòng)作的控制，而組態(tài)王主要運(yùn)作在二維的控制過程，對(duì)三維動(dòng)作的控制實(shí)現(xiàn)起來非常困難。因此，在對(duì)該實(shí)驗(yàn)仿真時(shí)采用按鈕開關(guān)與小燈來代替控制系統(tǒng)的輸入輸出設(shè)備。其中X10-X17為取出位置信號(hào)的輸入點(diǎn)，主要工作過程是當(dāng)有顧客需要進(jìn)行取出時(shí)，通過系統(tǒng)的刷卡系統(tǒng)輸入對(duì)應(yīng)的存車位置，然后通過十進(jìn)制轉(zhuǎn)變?yōu)槎M(jìn)制與X10-X17進(jìn)行對(duì)應(yīng)，最后通過程序的編碼跳入到相應(yīng)位置的取車程序完成取車過程。上位機(jī)監(jiān)控畫面如圖7所示。

圖6 組態(tài)監(jiān)控界面

4 結(jié) 語

基于三菱PLC編程軟件、仿真軟件與組態(tài)王kingview 6.55建立的全虛擬的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)有著重要意義。該系統(tǒng)有效解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本高、教學(xué)方式不夠靈活、受時(shí)間與地理位置的影響等問題。并且它還可以應(yīng)用到實(shí)際控制工程中，工程人員在對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后都需要驗(yàn)證整個(gè)程序的正確性，以降低在實(shí)際運(yùn)用中的風(fēng)險(xiǎn)。此時(shí)該套全虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的調(diào)試起到了關(guān)鍵性的作用，大大降低了實(shí)際工程應(yīng)用中成本與風(fēng)險(xiǎn)。

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Development of Fully Virtual PLC Experimental Teaching System

XUWen-naa,b,WANGChuna,b,TANGLonga,LIAOYing-huaa,b

(a. School of Mechanical Engineering; b. Sichuan Provincial Key Lab of Process Equipment and Control, Sichuan University of Science and Engineering, Zigong 643000, China)

PLC and relative techniques are required courses in mechanical and electrical majors. Because PLC has been widely applied in engineering, this course has strong practicality and the experiment teaching is necessary. Because of the disadvantages of PLC traditional experimental teaching, a virtual PLC experiment teaching system was proposed. The system consists of GX Developer, MX OPC Server and KingView 6.55, and can complete the whole experimental teaching based on software. With this system, virtual simulation teaching can be achieved and problems such as high cost, low flexibility and less reliability of traditional experimental teaching can be effectively solved. It has broad application prospects, due to characteristics of low experimental cost, strong universality, maintenance free, easy extension and so on.

PLC; experimental teaching; configuration; GX developer; OPC

2015-10-10

過程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(GK201505);自貢市科技局重點(diǎn)項(xiàng)目(2013J19)

許雯娜(1987-)，女，四川自貢人，碩士，助教，主要從事人機(jī)工程學(xué)、交互設(shè)計(jì)等方面的教學(xué)與研究工作。

Tel.：13990085067; E-mail: flypeggy2005@163.com

TP 273

A

1006-7167(2016)03-0092-04