三菱FX系列PLC仿真教學系統的設計及通訊構建

王寶林

（肇慶市工程技術學校，廣東 肇慶 526070）

本文介紹有關三菱系列PLC仿真教學系統構建，仿真系統組成如圖1所示，分為3個部分，第一部分是基于組態軟件開發的并結合實訓設備廠商設備的虛實結合的仿真系統，適合在校學生的教學；第二部分是在前面虛實結合的仿真實訓系統基礎上，利用PLC仿真器和虛擬串口結合，使之成為完全脫離硬件的全虛擬系統，適合線上教學過程中沒有硬件系統的學員編程學習；第三部分是通過構建FactoryⅠO虛擬工廠與三菱系列PLC的通訊，構建三菱系列虛擬工廠PLC實訓系統，組態軟件此時作為虛擬工廠實訓系統的人機界面，拓展虛擬工廠實訓系統的功能，內容適合高職學生學習以及做畢業設計。仿真場景的運行。在仿真系統中完成編程調試后，也可以通過PLC的ⅠO端口直接連接設備廠商真實被控對象，進行PLC外圍電路安裝調試練習。圖2是為YL-235設備開發的實訓場景，用仿真實訓場景可以完成整個YL-235設備程序初步調試工作，連接真實YL-235設備時，只需微調程序即可，實訓設備多數時間只用于接線安裝練習，這樣可以較好地解決工位不足的問題。在連接真實外圍設備運行時，組態畫面可以實現真實被控模型同步運行，可以起到監視以及輸入控制的作用，這種虛實結合的仿真教學系統非常適合在校生PLC課程的學習。

圖1 仿真系統通訊方式及組成框圖

圖2 虛實結合的YL-235分揀系統

1 基于KingView組態軟件的虛實結合PLC仿真教學系統

組態軟件KingView具有成熟的ⅠO接口設備驅動，可以與各類型PLC進行通訊，PLC內部各種繼電器的狀態可以與組態軟件數據庫中數據的鏈接，這些數據又與界面上顯示的圖形對象有關聯，利用組態軟件三維虛擬空間進行設計，可以模擬出多種PLC控制場景[1]。本例中，將近40個PLC控制場景集合在KingView的同一組態工程，通過實訓項目選擇菜單頁面方便地切換各個實訓場景，使用非常方便。實訓項目根據實訓室真實的被控對象開發，如搶答器、機械手、交通燈、四層電梯、YL-235分揀機構、立體倉庫等，學生完成編程后，下載至PLC，由真實PLC控制

2 基于KingView組態軟件的仿真教學系統全虛擬方式的實現

在開展線上教學時，線上學習的學員們常會因為沒有PLC硬件設備，沒辦法跟著教師進行PLC課程編程設計學習，所以下面介紹完全脫離硬件的全虛擬仿真系統實現。

脫離PLC硬件，程序的運行需要仿真器，三菱GX-works2自帶的仿真器有很難跟第三方軟件通訊的缺點，本例中采用了凌—PLC模擬器來實現PLC模擬運行。凌—PLC模擬器是一款針對三菱FX系列PLC設備制作的一款免費的模擬軟件。凌—PLC模擬器要求系統中需要安裝Microsoft.Framework net 4.6.2及以上版本運行庫，另外需安裝虛擬串口軟件，本例中安裝了VSPD虛擬串口軟件。該模擬器能夠模擬PLC設備的運行控制操作，PLC模擬器與PLC實體PLC實現代碼完全一致。另外具有強大的Modbus通信功能，高速脈沖模擬功能，模擬量控制仿真功能。程序運行過程中可非常方便地對軟元件監視、置位、數值輸入等操作，比GX-works2仿真器更方便。但凌—PLC模擬器不支持Q系列PLC、不支持標簽結構化編程的仿真。

通訊連接設置如圖3所示，PLC模擬器有2組串行通訊接口與外界通訊，一組是下載口，一組是擴展通訊口。這里用了下載口虛擬串口（COM10）與GX-works2通訊，通過擴展通訊虛擬串口（COM2）與KingView組態仿真系統通訊。所有的PLC下載以及監視等過程均與實際PLC操作一致，程序運行時不需要啟動三菱編程軟件的模擬運行，打開PLC模擬器的運行按鍵即可，運行效果與真實PLC效果一致。

圖3 凌—PLC模擬器通訊端口連接圖

虛擬串口軟件的安裝使用：VSPD（Virtual Serial Ports Driver）虛擬串口軟件是由Eltima軟件公司設計的虛擬串口軟件，使用方便且穩定。VSPD會自動識別出本臺計算上有幾個物理串口，并可以添加虛擬端口。虛擬端口一定是成對出現的。在這里虛擬了2對虛擬串口，COM10和COM11為一對，COM10已設置連接PLC模擬器，Gx-works2編程軟件選擇COM11。它們通過這一對虛擬串口建立通訊，此時程序寫入和運行都是在PLC仿真器里進行。Gx-works2編的程序如果需要寫入實物PLC，則要選擇物理串口COM3。另外一對虛擬串口為COM1和COM2，其中COM2已連接PLC模擬器，組態軟件的仿真系統通訊接口則選擇COM1，PLC模擬器通過這一對虛擬串口通訊。組態仿真系統如果是連接實物PLC的控制系統，則需要選擇物理串口。虛擬串口的設置如圖4所示。

圖4 虛擬串口的設置

KingView的通訊參數設置：設置連接FX系列編程口，端口號COM1，波特率9 600，數據位7，停止位1，偶校驗。GX-works2設置端口號COM11同樣的通訊參數。編程軟件、PLC仿真器，KingView仿真教學系統工程通過2對虛擬串口相互通訊。通過PLC模擬器控制虛擬的仿真系統，可以讓教學系統完全脫離硬件，實現了只需計算機就可以實現隨時隨地編程學習。如圖2中的YL-235分揀系統以及圖5的立體倉庫系統，既可連接實際硬件設備安裝調試，也可以完全脫離工控硬件設備進行程序編寫與調試學習。

圖5 立體倉庫全虛擬系統運行

3 3D虛擬工廠通信實現以及在整個仿真系統中的結合應用

FactoryⅠO是一款蘊含了工業系統搭建、PLC編程PLC控制系統調試等技能訓練的PLC交互式教學仿真軟件，允許用戶通過拖拽的方式簡單快捷地創建3D工業系統。此系統可被各種外部技術控制，成為一個虛擬的被控對象，是一款非常好的開展PLC技術專業課教學、實訓的輔助工具[2]。FactoryⅠO可以較好地跟西門子博途軟件兼容，其驅動可以直接選擇連接西門子系列PLC，這款工業系統虛擬軟件在西門子系列PLC教學中應用比較廣泛，但在三菱系列PLC教學中應用案例極少。主要原因是三菱PLC與FactoryⅠO的通訊問題，三菱GX自帶仿真器極難與第三方軟件通訊。

這里提供了一種解決方案，不使用GX仿真器，利用MODBUS/TCP協議使凌—PLC仿真器與FactoryⅠO建立通訊。MODBUS/TCP是作為一種（實際的）自動化標準發行的，Modbus協議是一種已被廣泛應用于當今工業控制領域的通用通訊協議，通過此協議，控制器相互之間或控制器經由網絡（如以太網）可以和其他設備之間進行通訊[3]。PLC模擬器自帶Modbus TCP通訊功能，可通過該協議訪問到三菱PLC所有內部軟元件。FactoryⅠO驅動選擇Modbus TCP這項內容，可通過Modbus TCP通訊協議與仿真器建立通訊，從而實現三菱系列PLC通過FactoryⅠO進行工業控制系統的編程訓練。

PLC模擬器端具體設置：TCP端口選擇502，并打開偵聽，如圖3所示。

三菱PLC軟元件在Modbus訪問對應的地址編號如表1所示。

表1 三菱PLC軟元件在Modbus訪問對應的地址編號

FactoryⅠO的設置：Modbus TCP/ⅠP中，服務器是從機，而客戶端是主機，這里FactoryⅠO作為服務器，端口驅動選擇Modbus TCP/ⅠP Client，因為通訊回路都是本機，所以主機ⅠP地址設置為127.0.0.1本地回環地址，從站ⅠD選擇1，端口選擇502。

以FactoryⅠO實訓場景物料稱重分揀系統為例，闡述具體場景端口設置過程：稱重分揀系統分別需要用到14個輸入和14個輸出端口，這個例子中分配了三菱PLC的M0～M13作為傳感器檢測和控制信號輸入，因為X輸入端正常情況下不能改寫輸入狀態，即使用了在Modbus TCP下可以改寫的端口，還是會出現X端子信號不能穩定置1的情況。虛擬系統的編程調試過程中輸入端子用M端代替更合適。查詢三菱PLC軟元件位元件在Modbus對應地址，如表1所示，位元件M0的Modbus地址為2048，在FactoryⅠO驅動設置頁面點擊配置，在服務器端口設置時設置數字輸入偏移地址為2048，計數14，這樣就添加了M0～M13共14個位元件到輸入端口。查詢表1中位元件Y0對應Modbus地址為1280，設置數字輸出偏移地址為1280，計數14，這樣就添加了Y0～Y15到輸入端口。如需增加重量分類的工件計數數據，需添加輸出數據寄存器4個，可選擇寄存器偏移地址0，計數4，這樣就添加了D0～D3到寄存器輸出端口。對于虛擬工廠輸出的AD信號，例如稱重數據信號，可以選擇AD輸入，例如選擇第2路輸入則偏移地址選擇61441，三菱編程程序中可通過WR3A K0 S1 S2指令調整模擬量的值，參數S1表示模擬通道（需要乘以10），S1表示模擬量的值。例如對第2路模擬信號的通道里面的數據，可以用WRD3A K0 K10 D0、WR3A K0 K10 D0讀寫。如果為了編程更方便，稱重數據信號也可以直接連接普通寄存器，比如D4，這樣數據不需要AD讀寫指令可直接調用。

完成通訊設置后，虛擬PLC仿真器通過虛擬串口、Modbus TCP通訊，連接了編程軟件、組態軟件、FactoryⅠO虛擬工廠軟件，建立穩定的通訊。組成一套使用方便的全虛擬仿真教學系統。在此仿真系統中，組態軟件可以作為FactoryⅠO HMⅠ界面，作為控制信號的輸入、系統狀態指示、監控等，擴展FactoryⅠO功能。例如虛擬工廠的倉庫系統，需要一個倉位操作和倉位存貨狀態顯示的人機界面，這時可以用組態軟件對這個操作界面進行開發，在組態軟件的仿真系統中新增一個倉儲系統的人機界面，如圖6所示。程序調試運行時，可以利用這個界面操作FactoryⅠO的立體倉儲系統，如圖7所示。虛擬工廠的其他應用場景中，也可以用組態軟件開發相應的頁面，對虛擬工廠各個實訓場景的進行狀態監控和數據統計分析，使得FactoryⅠO功能更完善。

圖6 組態軟件制作的虛擬工廠HMⅠ界面

圖7 虛擬工廠立體倉庫編程調試場景

4 結束語

本文介紹了三菱PLC仿真系統，通過對編程軟件、PLC模擬器、組態軟件、虛擬工廠的通訊研究，可以靈活組合得到不同的應用場景，可以針對不同的教學場合使用不同的實訓功能，可對接實物教學設備，也可全虛擬應用，可以進行人機界面的開發，也可以進行工業控制系統設計、編程調試，使不同的學習層次學生都能找到相應的學習內容，只要對實訓項目內容加以完善，便可以成為一套非常完備的仿真教學系統。