啟閉機全虛擬仿真監控平臺開發

游張平，方 征，李天成

（1.麗水學院工學院，浙江麗水323000；2.麗水市電業局，浙江麗水323000）

啟閉機全虛擬仿真監控平臺開發

游張平1，方 征2，李天成1

（1.麗水學院工學院，浙江麗水323000；2.麗水市電業局，浙江麗水323000）

針對啟閉機監控系統調試工作存在成本高、耗時長、效率低等缺點，基于虛擬仿真技術，研發了一套啟閉機全虛擬仿真監控平臺。給出了平臺的系統組成與運行原理，設計了監控組態界面，編寫了腳本代碼，建立了虛擬啟閉機與虛擬PLC控制器的通信，進行了仿真調試。實際應用結果表明：該平臺無需實際的啟閉機物理控制對象，也不必受水庫與氣候環境等自然環境的約束，便可實現對啟閉機監控程序的調試運行，克服了真實被控對象的缺點，大大降低系統調試的成本與風險。

PLC；組態監控；調試實驗；虛擬仿真

啟閉機作為水庫和水電站閘門的起吊設備，是防洪泄洪的關鍵設備，在水利水電工程安全、穩定運行中發揮著極其重要的作用[1-2]。啟閉機控制系統的調試工作是閘門能夠準確、穩定、可靠運行的關鍵[3-5]。傳統在現場水庫或水電站環境下的啟閉機調試工作受氣候環境、硬件本體等因素約束，存在成本高、耗時長、效率低等缺點。本文借助虛擬仿真技術，設計并開發了一套啟閉機全虛擬仿真監控平臺，可以脫離閘門啟閉機與PLC控制器等真實物理對象進行仿真運行與調試工作。對啟閉機監控系統的開發與調試工作，不必受水庫與氣候環境等自然環境的約束，大大降低系統調試的成本與風險。

1 啟閉機全虛擬仿真監控平臺的組成及運行原理

啟閉機全虛擬仿真監控平臺主要由虛擬PLC、虛擬啟閉機與虛擬通訊系統構成，分別由GX Developer編程軟件與GXSimulator仿真軟件、MCGS組態軟件，以及MXOPCServer軟件等來構建，如圖1所示。

其中，被控對象虛擬啟閉機通過MCGS組態軟件構建，虛擬PLC控制器由GX Simulator仿真軟件構建；虛擬啟閉機與虛擬PLC控制器之間的通訊通過MXOPC服務軟件來實現。當操作虛擬啟閉機界面上的輸入元件（如按鈕或開關）或通過變量的動態變化模擬氣候變化時，虛擬PLC控制器便通過MX OPC Server軟件獲得相應輸入元件的狀態變化，通過執行PLC程序得到各輸出元件的輸出狀態，并通過MX OPCServer軟件執行輸出刷新，虛擬啟閉機則執行相應的刷新動作。當虛擬啟閉機的動作與預期的不一致時，便可不斷修改程序，直至完全一致為止，從而實現啟閉程序的調試工作不必受到啟閉機、PLC控制器等硬件與氣候條件的約束。

圖1 啟閉機全虛擬仿真監控平臺

2 啟閉機控制系統全虛擬調試實驗平臺構建

2.1 水閘啟閉PLC控制程序開發

根據某小型水庫電氣控制要求，綜合分析確定，系統至少需要8個輸入點和5個輸出點，如表1所示。為預留一定的I/O點裕度，這里選用PLC型號為FX2N-32MR。

表1 I/O地址分配表

限于篇幅，以水閘高低速人工轉換控制為例，介紹PLC梯形圖控制程序開發。當系統處于人工控制階段時，按下正轉按鈕，上升行程開關運行，按下低速按鈕時，水閘低速上升，當按下中速按鈕時，低速關閉，水閘中速上升，按下高速按鈕時，水閘高速上升，如圖2所示。

圖2 水閘高低速人工轉換控制梯形圖程序

2.2 虛擬水庫構建

點擊“主控窗口”的“新建窗口”，建立并編輯窗口。在編輯虛擬水庫界面時，可以在工具箱中通過導入自帶的元器件來進行編輯。也可以通過工具箱自己繪圖，最終建立好的虛擬水庫界面，如圖3所示。

圖3 虛擬水庫界面

動畫連接：為體現水庫閘門和水位上升、下降等動作，需要設置圖3中的水庫水面和閘門等部件的動畫組態屬性設置。以蓄水和閘門下降為例，設置操作如下：雙擊“閘門”，勾選“垂直移動”，在“垂直移動”選項卡，設置數據變量b，設置最大移動量、最大百分比、最小移動量及最小百分比分別為100、100、0、0。編寫閘門下降移動腳本程序如下，當水位在安全水位以下時，水閘開始低速下降，當水閘閉合時，水位開始緩慢上升，系統開始蓄水：

3 通信設置

在 MX OPC Server中設置“ PC side I/F”為“GX Simulator”、“CPU type”為“FX2N(C)”，并將變量與虛擬PLC的I/O口一一對應，如變量I_X1對應PLC的x1輸入端口等；在MCGS中設置OPC服務器為“Mitsubish.MXOPC.4，建立通信連接，如圖4所示。

圖4 通信設置

4 虛擬調試

依次啟動GXDeveloper、GXSimulator、MXOPCServer、MCGS，操作虛擬水庫界面上的按鈕或開關，觀察水庫水面和閘門的移動及指示燈顏色的變化等。如果虛擬啟閉機閘門的動作與預期的不一致時，便可不斷修改程序，直至完全一致為止，從而實現啟閉程序的調試工作，不會受到啟閉機、PLC控制器等硬件與氣候等其它條件的影響。

5 結論

（1）將全虛擬仿真技術應用于啟閉機控制系統的調試中。構建的全虛擬調試平臺無需實際的閘門啟閉機物理控制對象，也不必受水庫與氣候環境等自然環境的約束，便可實現對啟閉機監控程序的運行調試，降低調試的成本與風險。

（2）該平臺除了應用于工程生產實踐外，還可應用于“可編程控制器”“工控組態軟件”等相關課程的教學，作為學生形象生動的教學案例，解決實驗控制對象不足、程序運行結果抽象等問題，促進學生學習興趣和創新能力的提高。

［1］陳林.自動化控制在啟閉機電控的應用［J］.企業技術開發，2012（23）：47.

［2］李懷玉.閘門啟閉機運行與管理［J］.河南水利與南水北調，2014（24）：55.

［3］查六一，邵建龍，周玉巖，等.基于S7-200PLC的閘門卷揚啟閉機的控制系統設計［J］.水電能源科學，2010（3）：127.

［4］盧俊.閘門啟閉機電氣控制系統實施PLC改造方案分析［J］.中國高新技術企業，2015（13）：27.

［5］王超，彭翔鵬，吳錚.泄水閘弧門啟閉機控制系統運行安全分析與改造：以漢江興隆水利樞紐為例［J］.人民長江，2015（9）：91.

The Development of Full-Virtual Simulation Monitoring Platform of Hoist

YOUZhangping1，FANGZheng2，LI Tiancheng1
（1.FacultyofEngineering，Lishui University，Lishui 323000，Zhejiang；2.Lishui Electric Power Bureau，Lishui 323000，Zhejiang）

Considering the high cost and poor efficiency of hoist monitoring system debugging,full-virtual simulation monitoring platform was developed，based on virtual simulation technology.The composition and the operating principle were given，the monitoring configuration interface was designed，the script code was compiled，the communication between virtual hoist and virtual PLC was established，and the simulation system was debugged.The results of the practical application show that the platform can debug hoist monitoring program without actual hoist and won’t suffer from the restraints of climatope，and thus greatly reduce the cost and risk of system debugging.

PLC；configuration monitoring；experiment teaching；virtual simulation

10.3969/j.issn.2095-3801.2017.05.015

TP391.9

A

2095-3801（2017）05-0088-05

2017-01-22；

2017-02-27

浙江省公益技術應用研究項目“金屬帶鋸床實時在線狀態監控與故障診斷系統研發及應用”（2016C31053）；麗水市高層次人才培養項目“內嵌于現場控制系統的帶鋸床振動故障檢測技術研究及應用”（2015RC28）；浙江省大學生科技創新活動計劃項目“擺動尖頂推桿盤形凸輪機構CAD系統開發”（2016R431002）

游張平，男，福建壽寧人，副教授，博士。