許雯娜， 王 春， 唐 龍， 廖映華

(四川理工學院 a. 機械工程學院; b. 過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室， 四川 自貢 643000)

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全 虛 擬 PLC 實 驗 教 學 系 統(tǒng) 開 發(fā)

許雯娜a,b， 王 春a,b， 唐 龍a， 廖映華a,b

(四川理工學院 a. 機械工程學院; b. 過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室， 四川 自貢 643000)

PLC相關(guān)課程是機電類專業(yè)的一門必修課程。由于該課程具有較強的工程實踐性，所以對實踐教學環(huán)節(jié)有著較高的要求。針對PLC傳統(tǒng)實驗教學環(huán)節(jié)的不足，提出了全虛擬PLC實驗教學系統(tǒng)。該系統(tǒng)由三菱PLC編程軟件GX Developer、三菱OPC服務軟件MX OPC Server與組態(tài)王KingView6.55組成，可實現(xiàn)全虛擬的仿真教學效果，以軟件的形式便可完成整個實驗教學環(huán)節(jié)，有效解決了傳統(tǒng)實驗教學成本高、教學方式不夠靈活、受時間與地理位置的影響等問題，具有實驗成本低、通用性強、免維護、易擴展等特點，有著廣闊的應用前景。

PLC； 實驗教學； 組態(tài)； GX Developer； OPC

0 引 言

“機電傳動技術(shù)”是機械制造及其自動化專業(yè)一門必修課程。由于PLC具有較強的工程實踐性，所以對實踐教學環(huán)節(jié)有著較高的要求[1-3]。PLC實驗教學發(fā)展歷程分為3個階段，如表1所示。

表1 PLC實驗教學發(fā)展歷程

(1) 第一階段。第一階段的教學實驗由硬件PLC和實驗箱、實驗臺等雙硬件設備構(gòu)成。這種實驗教學系統(tǒng)存在以下幾點不足：① 實驗教學成本高，采購和維護設備需大量人力物力；② 實驗系統(tǒng)體積大，需要專門的較大的場所放置實驗設備；③ 系統(tǒng)擴展性差，實驗內(nèi)容單一；④ 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)單一，導致“自 動化孤島效應”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)。這種實驗教學系統(tǒng)由組態(tài)軟件仿真各類控制對象，再與PLC聯(lián)調(diào)，可直觀的在電腦上形象的體現(xiàn)被控對象的運行情況。相比第一階段，不用采購硬件被控對象，系統(tǒng)擴展性也大大增強。但在實際教學過程中，由于實驗室硬件PLC設備有限，通常是幾位同學為一組分配硬件PLC開展實驗。對整個實驗教學的效果有一定影響。

(3) 第三階段。在多年的實驗教學基礎上，開發(fā)了全虛擬PLC實驗教學系統(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：① 很大程度地節(jié)省了實驗、教學成本[5]；② 讓整個實驗教學變得更加靈活多變[6-7]；③ 不再受時間與地理位置的影響，學生可以按需進行后期的拓展[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實驗教學系統(tǒng)為全虛擬的教學系統(tǒng)，該系統(tǒng)由相關(guān)軟件在PC機進行虛擬的通信連接，從而完成整個的仿真教學實驗。該系統(tǒng)主要由三菱編程軟件GX Developer、三菱OPC服務軟件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教學實驗系統(tǒng)，采用三菱編程軟件GX Developer作為PLC程序的編制平臺，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象，然后通過OPC服務軟件將PLC軟件與組態(tài)軟件進行連接，最終實現(xiàn)通過PLC程序?qū)Ρ豢貙ο蟮目刂?，從而達到全虛擬的仿真教學效果[12-14]。全虛擬PLC實驗教學系統(tǒng)如圖1所示。

2 全虛擬實驗平臺的構(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)設置

(1) 打開“MX Configurator”單擊“file/new”，新建Access文件；點擊“Address/New Device”，彈出新建設備窗口，選擇與編寫程序運用的PLC一致的型號，完成通訊設置；在新建立的通信設置下點擊“New DataTag”建立與PLC程序?qū)腎/O變量如圖2所示。

圖1 全虛擬PLC實驗教學系統(tǒng)

(2) 以上設置好后，啟動“PLC Monitor Utility”仿真，點擊“Wizard”,選擇“GX_Simulator”nextok，進行軟件仿真。然后啟動“MX OPC Server”。

圖2 建立I/O變量

(3) 啟動“kingview6.55”，雙擊當前工程，點擊OPC服務器，雙擊新建，彈出窗口，選擇“Mitsubish.MXOPC.4”,并選擇“同步讀”“同步寫”，點擊“確定”按鈕，建立OPC連接，如圖3所示。

圖3 建立OPC服務器

(4) 點擊“數(shù)據(jù)詞典中”新建“I/O變量”：輸入變量名，選擇“I/O離散”，“連接設備”選擇“Mitsubish.MXOPC.4”，寄存器選擇相應值，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服務軟件通信成功如圖5所示；④ 啟動“kingview 6.55”建立相應的畫面連接后，運行組態(tài)王“view”查看被控對象是否按照PLC控制程序進行動作，若是則表示整個通信連接建立成功。

圖5 查看通信連接

3 仿真平臺應用實例

以8×4層智能圓柱式立體車庫的控制為例進行仿真實驗。

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，車位編號分別為1，2，3，…，31；其中一層的空車位設計為存取車車位，正常時不能停放汽車。

(2) 在存車時，只需要點取存車按鍵，系統(tǒng)將對所存的汽車自動編排存車位置。如果最開始，車庫沒有存車全為空位，系統(tǒng)在存車時將按照車位編號從小到大的順序依次存車，直到把車庫存滿為止。如果當車庫存到2層的某一個位置時，有顧客要在這一過程中取出，假設所取車輛為第一層某個車位，在下一次存車時，系統(tǒng)將自動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，通過輸入取出位置后，按下取出按鍵，系統(tǒng)將根據(jù)輸入的命令取出對應位置的車輛[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仿真軟件對編制的程序進行調(diào)試。

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

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

(4) 由于本次采用的實例為三維動作的控制，而組態(tài)王主要運作在二維的控制過程，對三維動作的控制實現(xiàn)起來非常困難。因此，在對該實驗仿真時采用按鈕開關(guān)與小燈來代替控制系統(tǒng)的輸入輸出設備。其中X10-X17為取出位置信號的輸入點，主要工作過程是當有顧客需要進行取出時，通過系統(tǒng)的刷卡系統(tǒng)輸入對應的存車位置，然后通過十進制轉(zhuǎn)變?yōu)槎M制與X10-X17進行對應，最后通過程序的編碼跳入到相應位置的取車程序完成取車過程。上位機監(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建立的全虛擬的實驗教學系統(tǒng)有著重要意義。該系統(tǒng)有效解決了傳統(tǒng)實驗教學成本高、教學方式不夠靈活、受時間與地理位置的影響等問題。并且它還可以應用到實際控制工程中，工程人員在對整個控制系統(tǒng)設計完成之后都需要驗證整個程序的正確性，以降低在實際運用中的風險。此時該套全虛擬實驗教學系統(tǒng)對整個控制系統(tǒng)的調(diào)試起到了關(guān)鍵性的作用，大大降低了實際工程應用中成本與風險。

[1] 孫松麗，王榮林，張桂新.基于MCGS的PLC仿真實訓系統(tǒng)設計[J].實驗室研究與探索,2015,34(1):87-91.

[2] 周建萍, 王志萍, 于會群. 對提高“PLC實驗課”課程教學質(zhì)量的探討[J]. 實驗室研究與探索,2012, 31(10):119-121.

[3] 張金蛟.現(xiàn)代實驗教學法在PLC實驗中的運用[J]. 實驗科學與技術(shù),2007,5(4):85-86.

[4] 崔桂梅, 顧婧弘, 劉丕亮. 基于西門子PLC網(wǎng)絡化實驗平臺的設計[J]. 實驗室研究與探索, 2015, 34(3):212-215.

[5] 張 婕,李浙昆,吳 濤.可編程控制器虛擬實驗教學的研究[J].實驗室研究與探索, 2009, 28(9):77-79.

[6] 黃凱旋.開放與虛擬的實驗教學改革探討[J].實驗室研究與探索, 2006, 25(9):1120-1122.

[7] 苗紅霞,齊本勝. PLC控制技術(shù)實驗教學改革研究與實踐[J].實驗技術(shù)與管理, 2010, 27(3):136-139.

[8] 劉 力.組態(tài)軟件在PLC實驗系統(tǒng)中的應用[J].實驗室研與探索,2014,33(4):127-129.

[9] 歐金成,歐式樂,林德杰,等.組態(tài)軟件的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 工業(yè)控制計算機,2002,15(4):1-5.

[10] 陳海生，鄭 萍.全虛擬 PLC 遠程試驗系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].自動化儀表,2013,34(3):28.

[11] 靳 雷，李秋紅.基于OPC和組態(tài)技術(shù)的虛擬PLC監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].電氣傳動自動化,2014,36(6):39.

[12] 劉暾東,余齊齊,柳小鵬.OPC服務器軟件開發(fā)及在DCS中的應用[J].化工自動化及儀表,2007,34(1):46-48.

[13] 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,2012,33(12):21-24.

[14] 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.

[15] 霍 沛,胡 勇.基于PLC的立體車庫自動控制算法的設計及應用[J].四川理工學院學報(自然科學版),2015,28(1): 21-24.

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實驗室基金項目(GK201505);自貢市科技局重點項目(2013J19)

許雯娜(1987-)，女，四川自貢人，碩士，助教，主要從事人機工程學、交互設計等方面的教學與研究工作。

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

TP 273

A

1006-7167(2016)03-0092-04