霍覽宇

（湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙410151）

基于OPC技術(shù)的機(jī)電仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

霍覽宇

（湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙410151）

機(jī)電一體化系統(tǒng)教學(xué)過程中，機(jī)械和控制的一體仿真能有效地幫助學(xué)生理解機(jī)電一體化技術(shù)，提升教學(xué)效果。通過應(yīng)用OPC技術(shù)將PLC編程仿真、液氣壓仿真軟件、上位機(jī)監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)打通，實現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動動態(tài)模擬、控制編程和液氣壓回路配合一體化的教學(xué)仿真，為機(jī)電類專業(yè)綜合實習(xí)提供了一種經(jīng)濟(jì)簡單的方法。

OPC技術(shù)；WINCC；仿真教學(xué)系統(tǒng)

1 系統(tǒng)設(shè)計的背景

高職機(jī)電類專業(yè)的機(jī)電綜合實習(xí)課程，是一門訓(xùn)練學(xué)生機(jī)電綜合能力的必修課程，課程綜合了PLC、電機(jī)控制和液氣壓驅(qū)動、觸摸屏等技術(shù)，教學(xué)設(shè)備相對復(fù)雜且價格較高，對授課教師的要求也很高，而且設(shè)備使用后需要經(jīng)常調(diào)試，即便每次上課設(shè)備都能正常使用，要取得良好的教學(xué)效果，也要求學(xué)生具備較好的專業(yè)基礎(chǔ)。由于目前高職教學(xué)條件的現(xiàn)狀，這類課程很難取得預(yù)期的成效，很多教師不愿意上或者寧可上以枯燥的理論教學(xué)替代。因此如何幫助這類課程的教學(xué)實施是一個很實際的問題。針對這個問題，本文提出利用已有的專業(yè)軟件設(shè)計綜合實習(xí)實訓(xùn)虛擬仿真教學(xué)平臺，既可以節(jié)省成本，便于管理，還可以訓(xùn)練學(xué)生技術(shù)綜合能力。

對于機(jī)電仿真教學(xué)系統(tǒng)的研究，國內(nèi)外在這個領(lǐng)域的應(yīng)用及相關(guān)成果不少。但還是存在一些問題，如國內(nèi)在這方面的研究或是基于系統(tǒng)建模分析動、靜態(tài)、可靠性等相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，或是通過虛擬技術(shù)軟件進(jìn)行設(shè)計開發(fā)研究等，前者過于抽象，需要較深專業(yè)知識背景，后者需要較深的計算機(jī)軟件應(yīng)用技術(shù)，通用性較差，不便于用戶進(jìn)行二次開發(fā)。市面上也有用于專業(yè)教學(xué)的機(jī)電一體化仿真軟件如國外公司有Irai的Automgen、貝加萊的Automation Studio等仿真軟件，國內(nèi)有宇龍機(jī)電仿真軟件等等，這些仿真教學(xué)軟件需單獨(dú)購買，往往價格較高。

本文提出利用組態(tài)軟件WINCC軟件、液氣壓技術(shù)軟件、PLC編程，設(shè)計動態(tài)化、虛擬化的教學(xué)模擬界面，通過OPC通信技術(shù)將PLC仿真器、液氣壓回路仿真等構(gòu)建為一個虛擬機(jī)電一體化教學(xué)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計的核心技術(shù)

2.1 OPC技術(shù)

OPC全稱是OLE for Process Control，是有全球所有主要自動化系統(tǒng)、儀器儀表及過程控制系統(tǒng)供貨商所支持的統(tǒng)一的通訊接口工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。OPC分為經(jīng)典OPC和OPC UA（Unified Architecture）統(tǒng)一架構(gòu)。經(jīng)典OPC是基于微軟Windows系統(tǒng)的OLE/COM技術(shù)，實現(xiàn)不同應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)共享，提升了不同應(yīng)用之間的互操作性[1]。OPC UA突破了平臺的限制，可應(yīng)用Windows以外的其他操作系統(tǒng)，通用性更強(qiáng)，安全性更好，性能更佳，配置與維護(hù)更加便捷[2]。雖然很多不同的工業(yè)軟件之間是割裂的，隨著OPC技術(shù)的不斷推廣，很多常用的工業(yè)軟件都提供了OPC服務(wù)器和OPC客戶端，可以利用OPC通道將實現(xiàn)不同的工業(yè)軟件數(shù)據(jù)共享[3]。

2.2 組態(tài)監(jiān)控軟件技術(shù)

組態(tài)監(jiān)控軟件通常簡稱組態(tài)軟件，簡稱SCADA軟件，是一種用于自控系統(tǒng)監(jiān)控層級的專用軟件平臺和開發(fā)環(huán)境。組態(tài)軟件擁有豐富的硬件驅(qū)動程序，能方便地與自動化硬件相連，有功能強(qiáng)大的控件可以靈活組態(tài)，能很方便實現(xiàn)各種監(jiān)控功能。目前市場上有很多優(yōu)秀的組態(tài)軟件，如力控、亞控、昆侖通態(tài)等國產(chǎn)軟件和Intouch、ifix、WinCC等國外軟件。

3 系統(tǒng)設(shè)計的思路和實現(xiàn)過程

第一步先驗證技術(shù)的可行性，通過WinCC軟件、三菱PLC編程和仿真軟件GXdeveloper、三菱OPC服務(wù)器MXOPC Sever和液氣壓仿真軟件FLuidSIM軟件通過OPC接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信測試；第二步，基于WinCC創(chuàng)建實訓(xùn)平臺，包括主界面和子界面；主界面主要功能是概覽所有實訓(xùn)工位，子界面主要實施教學(xué)演示和監(jiān)控的功能；第三步，開發(fā)典型案例動態(tài)模擬界面，如分揀系統(tǒng)、機(jī)械手、交通燈等典型項目。

3.1 建立OPC通信

每一臺電腦以WinCC軟件和FLuidSIM軟件作為OPC客戶端，以三菱編程和仿真軟件GXdeveloper加MXOPC Sever作為服務(wù)器，教師機(jī)和學(xué)生機(jī)都能通過WinCC軟件和FLuidSIM的OPC客戶端接口分別對本地三菱PLC和遠(yuǎn)程三菱PLC的OPC服務(wù)器進(jìn)行讀寫。

3.2 仿真教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)分為演示界面和練習(xí)界面。教師機(jī)通過演示界面監(jiān)控各臺學(xué)生機(jī)的項目練習(xí)情況，學(xué)生機(jī)可以通過演示界面觀看項目演示；練習(xí)界面則由學(xué)生自主編程設(shè)計完成教學(xué)項目要求。不管是演示界面還是練習(xí)界面，核心內(nèi)容在于各教學(xué)項目的模版設(shè)計。如圖1所示，設(shè)計每個項目的模版畫面，然后根據(jù)學(xué)生機(jī)設(shè)置不同變量前綴，進(jìn)而實現(xiàn)對不同學(xué)生機(jī)的數(shù)據(jù)訪問，這種方式能有效地解決低效重復(fù)開發(fā)的問題。同樣學(xué)生在練習(xí)項目時也可以通過更改變量前綴對項目模版進(jìn)行調(diào)用，實現(xiàn)編程之后機(jī)電對象的模擬仿真。

圖1 模版畫面調(diào)用示意圖

3.3 用戶權(quán)限設(shè)計

系統(tǒng)分為登錄、主界面、項目界面三個層次。教師用戶擁有全部權(quán)限，能夠在此基礎(chǔ)上不斷完善系統(tǒng)；學(xué)生用戶分為二級，初級學(xué)生用戶進(jìn)入后根據(jù)界面提供的操作說明，只能進(jìn)行通信鏈接查看，I/0和通信數(shù)據(jù)等信息查看等權(quán)限，高級學(xué)生用戶可以擁有系統(tǒng)部分權(quán)限，能夠幫助學(xué)生進(jìn)行二次開發(fā)和系統(tǒng)集成等工作，以及有關(guān)系統(tǒng)權(quán)限設(shè)置。

3.4 數(shù)據(jù)采集與處理

本方案選用西門子優(yōu)秀的組態(tài)軟件WinCC作為虛擬教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)平臺，利用其強(qiáng)大的組態(tài)能力進(jìn)行仿真教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)。首先要解決的問題就是數(shù)據(jù)的采集與處理。通過WinCC建立一個以“PLCS”為名稱的結(jié)構(gòu)變量，包含輸入變量d0和輸出變量d1兩個16為無符號外部過程變量“元素”和三個用于水平運(yùn)動模擬的16為無符號內(nèi)部變量“元素”，與后續(xù)學(xué)生機(jī)界面設(shè)計的畫面模板配合使用，節(jié)省多個相同界面的重復(fù)設(shè)計工作量。在OPC通道下建立與每個學(xué)生機(jī)的新連接，設(shè)置遠(yuǎn)程OPC地址[4]。分別在每個連接下建立“PLC1”、“PLC2”…等變量，并設(shè)置為“PLCS”的數(shù)據(jù)類型，設(shè)計過程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集和處理

3.5 教學(xué)項目界面的組態(tài)設(shè)計

教學(xué)項目界面是仿真教學(xué)系統(tǒng)的主體，可以由教師根據(jù)教學(xué)需要不斷的進(jìn)行補(bǔ)充和開發(fā)。主要采用的技術(shù)是模版畫面技術(shù)和腳本編程技術(shù)，采用模版的好處能有效提升組態(tài)效率，假設(shè)有10臺學(xué)生機(jī)；設(shè)計3個虛擬教學(xué)項目，若逐個組態(tài)設(shè)計監(jiān)控界面，則需要組態(tài)設(shè)計30個監(jiān)控畫面，這種重復(fù)工作量大，效率很低，解決方案是采用“畫面窗口”和結(jié)構(gòu)變量技術(shù)。因此教學(xué)項目界面設(shè)計的關(guān)鍵在畫面模版的設(shè)計和畫面模板的調(diào)用。實現(xiàn)如下：

（1）第一步，建立“模版畫面”，設(shè)計演示監(jiān)控界面，主要有輸出狀態(tài)指示、輸入按鈕測試、對象動態(tài)模擬；狀態(tài)指示通過變量直接連接，輸入按鈕通過點擊事情進(jìn)行變量寫入，對象動態(tài)模擬通過VBS腳本進(jìn)行實現(xiàn)；上述所有動態(tài)設(shè)計所連接的變量全部為前述“PLCS”結(jié)構(gòu)變量的不帶結(jié)構(gòu)變量名前綴的元素。

（2）第二步，設(shè)計一個與模版大小一致的學(xué)生界面，添加“畫面窗口”控件，設(shè)置控件屬性中的“畫面名稱”為模版畫面的名稱，然后復(fù)制為10個學(xué)生界面。依次修改10個學(xué)生界面中“畫面窗口”控件的變量前綴分別為結(jié)構(gòu)變量PLC1.、PLC2.、…。通過這項技術(shù)實現(xiàn)對每臺學(xué)生機(jī)界面的監(jiān)控，模板中動態(tài)設(shè)計所連接的變量均是前述結(jié)構(gòu)變量的元素，采用VBS設(shè)計腳本程序，實現(xiàn)液壓缸伸縮的模擬動作[4]。按上述演示界面組態(tài)方法完成3個項目組態(tài)。

3.6 虛擬教學(xué)系統(tǒng)的演示效果

本文設(shè)計了一個分析系統(tǒng)的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，如圖3所示，虛擬教學(xué)系統(tǒng)能夠模擬液壓缸運(yùn)行動態(tài)效果和監(jiān)控PLC變量的變化，能遠(yuǎn)程驗證學(xué)生所做的PLC液壓控制程序是否正確，同時也能通過按鈕對學(xué)生的控制程序遠(yuǎn)程測試。圖中系統(tǒng)的左側(cè)為WinCC監(jiān)控界面，右上角為液壓仿真軟件，右下角為PLC編程仿真和OPC服務(wù)器軟件。從圖中可以看到WinCC良好的動態(tài)模擬，PLC的編程控制，液壓軟件的回路運(yùn)行都通過OPC技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，進(jìn)而實現(xiàn)教學(xué)演示，幫助學(xué)生直觀檢測編程設(shè)計結(jié)果，還可以通過項目進(jìn)行學(xué)生互動（如相互測試項目等趣味活動）。

圖3 虛擬教學(xué)系統(tǒng)運(yùn)行效果圖

4 結(jié)束語

隨著工業(yè)4.0和中國制造2025概念的提出，全球制造業(yè)進(jìn)入一個新的發(fā)展階段，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展是其中的一個關(guān)鍵點，設(shè)備與設(shè)備互聯(lián)、應(yīng)用軟件直接數(shù)據(jù)相通將是必然的趨勢，OPC技術(shù)作為一個全球認(rèn)可的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在未來工業(yè)控制中發(fā)揮的作用將越來越凸顯。利用OPC技術(shù)實現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)既提供了一種教學(xué)手段，又提供了一個專業(yè)技術(shù)學(xué)習(xí)的項目，在較少的投入下，能有效地幫助學(xué)校的專業(yè)課程教學(xué)，有較好的推廣價值。

[1]高德欣，張文武，楊清.利用OPC實現(xiàn)WINCC與監(jiān)控系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)據(jù)交換[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，36（4）：677-680.

[2]蘇延召，李艾華.基于OPC UA的自動化系統(tǒng)集成技術(shù)研究[J].測控技術(shù)，2011，30（3）：68-71.

[3]王杰，高昆侖，朱曉東.OPC通訊技術(shù)在可視化界面監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].計算機(jī)測量與控制，2012，20（1）：74-77.

[4]李二超，李煒，李戰(zhàn)明，孫增昌.基于OPC技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真平臺設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理，2012，29（1）：90-93.

[5]胡開明，傅志堅，葛遠(yuǎn)香.基于OPC與組態(tài)技術(shù)的自動控制實驗教學(xué)仿真平臺開發(fā)[J].實驗技術(shù)與管理，2013，30（6）：50-53.

Design of Mechanical and Electrical Simulation Teaching System Based on OPC Technology

HUO Lan-yu
（Hunan Mechanical and Electrical Polytechnic，Changsha Hunan 410151，China）

In the teaching of electromechanical integration system，the integrated simulation of mechanical and control can effectively help the students understand the electromechanical integration technology，improve the teaching effect.In the paper，through the application of OPC technology，it realizes the data interflow among PLC programming simulation，fluid pressure simulation software，and monitoring software.It realizes the integrated teaching simulation of mechanical movement dynamic simulation，control programming and hydraulic and pneumatic circuit，and it provides an economic and simple method for mechanical and electrical engineering comprehensive practice.

OPC technology；winCC；simulation teaching system

TP315

A

1672-545X（2016）11-0217-03

2016-08-13

基于OPC技術(shù)的異構(gòu)控制系統(tǒng)集成仿真平臺研究，2015年度湖南省教育廳科學(xué)研究項目（編號：15C0489）

霍覽宇（1981-），男，湖南邵陽人，工程碩士，副教授，研究方向：工業(yè)自動化技術(shù)。