基于組態軟件的PLC控制系統全軟件仿真

李啟丙

（四川建筑職業技術學院，四川德陽 618000）

0 引言

在PLC控制系統開發中，控制軟件現場調試需要與實際的物理器件連接，調試時間長、成本高，一旦控制程序有差錯，容易造成系統事故[1]。本文介紹一種利用組態軟件（MCGS）、OPC SERVER軟件和三菱PLC編程軟件GXWORK2，在無需PLC硬件和執行器硬件的情況下，完全由軟件進行仿真，成本低、調試方便安全。

現在半實物仿真比較成熟，文獻[1－4]都是用PLC控制器實物＋組態軟件實現半實物仿真；文獻[5]是用FX－TRN－BEG－C三菱專用仿真軟件實現全軟件仿真，但此軟件用于三菱PLC實現仿真，無法應用于其他的PLC進行仿真，因此局限性大；文獻[6]中對OPC技術進行了詳細闡述。

本文利用OPC SERVER技術實現PLC編程軟件與MCGS組態軟件進行電氣控制系統全軟件仿真，可以實現不同PLC、不同通信接口與不同組態軟件的連接仿真。通過對3層電梯電氣控制改造成PLC控制，并利用GX WORK2、MX OPC SERVER和MCGS 3個軟件進行全軟件仿真，驗證了全軟件仿真的正確性。

1 OPC SERVER實現原理

OPC（OLE for Process Control）是為了解決過程自動化發展中，不同硬件設備和軟件產品之間實現互聯操作[2]。

OPC的客戶－服務結構如圖1所示。任何OPC客戶端應用程序都可以連接到任何OPC服務器，即OPC在人機界面和工業自動化領域提供了真正的即插即用功能。OPC服務器類型包括OPC數據訪問（DA）、OPC報警和事件（AE）以及OPC歷史數據訪問（HDA）。

圖1 基于OPC的客戶－服務結構

PLC編程軟件GX WORK2通過MX OPC SERVER軟件與組態軟件進行數據交換。

2 MX OPC SERVER配置

MX OPC配置器是MX OPC服務軟件運行時的一個客戶端，通過其訪問I/O服務器，查看和修改設備與數據標記的屬性。配置器中的地址空間樹控件設置服務器對象以下層次結構的屬性和連接參數。

配置過程如下。

（1）啟動MX OPC配置程序—左側的樹形控制視圖—地址空間—右鍵新建設備出現MX轉換器設置界面，點擊Configure配置按鈕，在PC side I/F下拉列框中選GX simlutor2（因為GX WORK2用的是GX simlutor2仿真器）。其他創建按默認即可。

（2）設備建好后點擊設備右鍵，此后需要新建數據標簽。輸入標簽名字、設置IO地址、讀寫權限和數據類型，這個標簽是在組態軟件中進行訪問使用的名稱。把所用到的輸入繼電器、輸出繼電器及輔助繼電器的編號按照設計要求輸入完成，并保證服務已經啟動。

3 PLC仿真

運行GX WORK2菜單調試中的模擬開始菜單，啟動GX SIMLUTOR2仿真即可，保證OPC SERVER已經啟動。接下來便可啟動組態軟件MCGS對電梯控制系統進行調試和仿真運行;根據電梯控制流程，在MCGS組態軟件界面上操作相應控制按鈕，實現對組態軟件與PLC編程軟件進行仿真運行。也可以在GX WORK軟件中模擬開關動作來實現對組態軟件中動畫控制。

4 組態軟件仿真模型設計

4.1 圖形界面設計

文獻[7]在組態軟件中實現了4層電梯模擬動畫，本文使用3層電梯進行模擬，簡化設計。本文利用MCGS 6.2組態軟件設計仿真圖形動畫，構建3層電梯動畫模型，包括電梯曳引電機、門廳召喚按鈕與顯示元件、電梯轎廂、轎廂內按鈕與顯示元件、啟/停控制按鈕等。用虛擬電梯模型代替實際真實電梯模型進行仿真運行。

建立仿真動畫，首先需要建立“3層電梯控制系統”工程。在用戶窗口，新建“3層電梯控制”窗口，點擊“動態組畫”按鈕，就可以用組態軟件MCGS提供的畫圖“工具箱”，根據需要構建圖形畫面，本系統仿真模型如圖2所示。工作過程：鎖梯開關完成電梯的啟動與停止，當鎖梯開關置于“ON”狀態時，電梯啟動，轎內指令板樓層顯示器和各層門樓層顯示器分另顯示當前轎廂所在樓層位置。假設當前轎廂在此樓，當在轎內指令板中選擇3層按鈕，電機啟動正轉，轎廂上行，當到達3樓時停止并開門，延時一段時間（3 s）后關門，等待新的呼喚。

圖2 3層電梯組態仿真動畫

4.2 OPC設備設置

在設備窗口中點擊OPC設備，在通用OPC屬性面板中選擇OPC服務器Mltsubishi.MXOPC.6。在通道連接中設置連接對像、通道名稱、通道類型和讀寫類型。其中連接對像是在MCGS中用到的變量，通道名稱是在OPC SERVER中設置的PLC的IO變量。確定后自動在MCGS中實時數據庫中建立數據變量。

4.3 動畫連接

動畫連接是建立數據庫中變量與圖形畫面中圖形元件的關系。當變量值改變時，圖形對象以動畫的效果表現出來；還可以用圖形畫面的動作控制數據庫中的變量，通過圖形對象改變數據變量的值；將靜止的圖形畫面像實際物理模型一樣仿真運行，實現圖形界面與物理對象PLC間的雙向控制和模擬運行[2]。

4.4 控制程序編寫

數據庫和動畫連接后，實現組態畫面的仿真運行，還需要設置轎廂動畫，并編寫腳本程序。MCGS腳本程序就不在此闡述。

4.5 控制程序流程

電梯控制要求如下。

（1）控制系統有一個鎖梯開關，鎖梯開關打開時，電梯運行。

（2）電梯轎廂到達任何樓層時，相應樓層指示燈亮起并閃爍，電梯門能自動打開，延時3 s后，電梯門自動關閉，樓層指示燈隨之熄滅。

（3）用數碼管顯示電梯所在樓層的編號，電梯處在1、2層之間時，數碼管顯示“1”，到達2層時顯示“2”；電梯處在2、3層之間時，數碼管顯示“2”，到達3層時顯示“3”。

（4）電梯向上運行時設定牽引電機為正轉，電梯向下運行時設定牽引電機為反轉。

（5）電梯轎廂能根據各樓層的呼叫信號和轎廂內的數字按鍵自動選擇運行方向，具體響應呼叫信號的方案如下。

①電梯暫停在某一樓層時，按下該樓層的上行或下行方向按鈕后，電梯門自動打開。

②電梯若不是停留在呼叫者同一樓層時，要等電梯轎廂運行到后，電梯門才自動打開。

③電梯正在上行過程中，假如有更高樓層的呼叫，則先響應更高樓層的呼叫。

④電梯正在下行過程中，假如有更低樓層的呼叫，則先響應更低樓層的呼叫。

⑤電梯門自動關閉后，才能響應轎廂內的樓層數字按鈕的信號，并根據數字按鈕的信號選擇讓轎廂達到相應的樓層。

⑥電梯轎廂達到某一樓層后，若沒有其他呼叫信號，則暫停在該樓層，只有按下“電梯復位”按鈕后，轎廂才會自動運行到第一層。

組態軟件對控制系統的控制和仿真，需要根據控制在PLC上編寫相應的應用程序[8]。其控制程序流程如圖3所示。

圖3 組態軟件中電梯控制程序流程

5 結束語

組態MCGS 6.2軟件與GXWORKS2通過OPC SERV?ER軟件實現PLC控制系統全軟件仿真，即脫離PLC實物控制器，也脫離實際物理控制對象，從而克服PLC控制程序投入實際運行前，連接物理器件再調試時，成本高、調試周期長的缺陷。本文提出的全軟件仿真方法，應用在實驗室和控制系統開發調試過程中，無需投入較大的資金進行物理對象實現，就可通過界面仿真的形式實現對PLC的控制系統設計。