基于组态软件的全虚拟PLC教学系统实现及应用
基于组态软件的全虚拟PLC教学系统实现及应用 1 利用组态软件开发的PLC仿真教学系统 PLC课程教学现状 可编程逻辑控制器（PLC）应用广泛， 是职业院校机电类专业的一门核心主干课程。PLC编程知识 的巩固需要精讲多练，需要搭建良好的实训平台，多开设与 工业实际应用紧密结合的实训项目。而实际情况却因为受到 场所、设备、资金等诸多客观条件的限制，各学校难以在实 训室配备大量的实物工控设备，导致PLC教学实训设备在种 类和数量上难以满足教学要求，影响了PLC教学的效果。基于组态软件的PLC仿真教学系统 组态控制技术 （Supervision Control and Data Acquisition）常用于工 业控制系统的监控，它为用户提供设备驱动、数据采集、数 据处理、流程控制、动画显示、报警处理、报表输出等操作 工具，常用于生成上位机监控系统。组态软件具有成熟的I/O 接口设备驱动，可以与各类型PLC进行通讯，PLC内部各种继 电器的状态可以与组态软件数据库中的数据链接，这些数据 又与界面上显示的图形对象有关联。这样在PLC编程调试过 程中，可以利用组态软件的组态动画代替PLC控制对象，在 计算机屏幕上观察PLC控制系统的控制过程和结果[1]。
用组态软件制作的仿真被控对象，可以像实物被控对象 一样，既可以向PLC发出如开关控制信号、传感器信号、中 断信号等各种命令信号，也可以接受PLC发出的输出信号、 脉冲信号和各种数值信号等控制信号，并且能与PLC进行各种数据的传输，从而反映出PLC与组态虚拟对象及控制结果 之间的关系。利用组态软件的这些功能，可以开发出各种虚 拟的工业控制模型，用于PLC课程教学的编程调试。
组态软件教学系统优势 利用组态软件三维虚拟空间进 行设计，可以模拟出多种真实场景，如立体仓库控制系统、 传输计件控制系统、售货机系统、机械手控制系统、电梯控 制系统等。组态虚拟对象能以按扭、滑动标尺、数值输入等 方式向PLC发出各种命令及输入各种参数，也可以通过界面 输出显示PLC各个变量的值以及状态[2]。所以用组态软件构 建的教学系统还可以仿真触摸屏控制，学生可以在组态软件 开发环境下进行触摸屏界面开发，利用组态软件丰富的图形 库对象，可以构建出比真实触摸屏更直观生动的控制画面。
如图1所示，用组态软件构建的步进电机控制系统，达 到与真实触摸屏一样的控制效果，其中包括对步进电机的速 度、运行步数设置（设置PLC数据寄存器值），对已运行的 步数进行显示（输出PLC数据寄存器值），同时步进电机模 型可以动态地展示步进电机运行状态，教学效果非常好。
基于组态软件的PLC教学系统，可以很方便地仿真出各 种工业控制效果，给编程和调试带来很大方便。在没有增加 硬件成本的情况下，解决了PLC编程控制对象的问题，提供 了足够的工位给予学生编程学习。相比较于真实工控设备的 PLC教学系统，虚拟的仿真系统控制对象更加丰富，教学内 容也更丰富，扩展了学生的工程应用经验。连接真实PLC硬件仿真系统的不足 基于组态软件的实 物PLC仿真教学系统，虽然虚拟出了PLC被控对象，但仍需要 真实的PLC与组态软件连接。这样，PLC课程的编程实验常局 限于实训室，时间局限于正常上课时间。本文提出一种基于 组态王（Kingview）组态软件和GX Simulator的全虚拟仿真 系统方案，虚拟PLC、虚拟被控对象的全虚拟教学系统的实 现，达到了更少硬件投入、应用更方便的目的。
2 全虚拟的PLC教学系统的构成 全虚拟仿真系统连接框图如图2所示，采用GX Developer 作为编程平台，将编制好的梯形图程序写入GX Simulator， GX Simulator作为一个模拟PLC运行的虚拟控制器[3]。通过 三菱的OPC服务软件与组态王OPC服务器组成虚拟的通信接 口，实现PLC程序控制组态实训画面运行，完成控制对象的 控制，从而实现全虚拟方式的运行。
GX Simulator和组态王软件通过MX OPC server进行通 信连接，建立基于组态王软件的监控界面和GX Simulator的 对应信息交互，实现PLC仿真运行与虚拟控制设备的对应关 系，在PC机上实现PLC编程调试功能。
1）GX Simulator。GX Simulator是三菱公司开发的一 款梯形图仿真调试工具软件，在安装有GX Developer的计算 机内追加安装GX Simulator，能够实现程序的仿真调试。GX Simulator可模拟可编程控制器CPU本体功能，可以使得程序 的调试脱离真实PLC，实现不在线调试。使用GX Simulator能够在一台计算机上进行顺控程序的开发和调试，能够更有 效地进行顺控程序修正后的确认。另外，GX Simulator还具 有模拟I/O系统设定以及串行通信等其他功能[4]。
2）OPC技术。OPC（OLE for Process Control）即OLE 用于工业过程控制，是在工业控制和生产自动化领域中使用 的硬件和软件的接口标准。OPC技术通常在数据采集软件中 广泛应用，现在众多硬件厂商提供的产品均带有标准OPC接 口。OPC实现了应用程序和工业控制设备之间高效、灵活的 数据读写，借助Microsoft的DCOM（分散式组件对象模型） 技术，OPC实现了高性能的远程数据访问能力，从而使得工 业控制软件之间的数据交换更加方便[5]。
4）组态王与OPC。组态王作为一个通用的工控软件平台， 提供开放式的通讯接口，如OPC、DDE、通用总线协议驱动接 口等。组态王作为OPC客户端可以同时挂接多个OPC服务器， 每个OPC服务器都被看作一个外部设备。同时，组态王本身 也可以充当OPC服务器，向其他符合OPC规范的厂商的控制系 统提供数据。组态王还能与其他支持OPC功能的软件（如其 他厂商的组态软件、三菱OPC Server软件）建立连接，进行 数据的交换[6]。OPC与其他软件的连接可以通过本机的OPC 进行（组态王和其他软件安装于同一台计算机），也可以是 通过网络的OPC连接。组态王的这些功能可以方便用户在工 程项目中轻松实现不同软件之间的集成和数据传输。
3 全虚拟仿真教学系统开发及通信配置在PC机端依次安装GX Developer、GX Simulator、MX OPC sever、组态王软件。这里以三层电梯控制系统为例，介绍 全虚拟系统的实现。
MX OPC sever设置 1）创建设备：全虚拟仿真系统的OPC通信方式中，MX OPC sever作为OPC服务器端，组态王作为OPC客户端。打开MX OPC Configurator，在“PC side I/F”项选择GX simulator， PLC类型选择FX2N（C），创建数据文件，并在文件中创建新 的设备。
2）定义数据项：在新建的设备中添加数据群组，并在 群组里添加电梯实训项目所需的所有数据项，并将数据项名 称改成与PLC相对应的变量名，如PLC输入端口的“X0”，输 出端口的“Y0”等。新建好所有数据项后，退出MX OPC sever 时，在弹出的窗口中选择刚才新建的设备为当前活动的数据 设备。
电梯实训系统组态画面开发 1）创建电梯仿真系统工程，并进行相应通信配置。电 梯实训项目要求在连接真实PLC和全虚拟方式下都能运行， 所以还需添加连接实物PLC的硬件设备，并进行相应的通讯 设置。在工程浏览器下，设置设备接口COM1，选择COM1端口 连接FX2系列编程口，并设置通讯参数：波特率9600 bps， 偶校验，7位数据位，1位停止位，RS232通信方式。
2）添加三层电梯系统工程开发需要的变量，包括内存变量和I/O变量。
3）按照电梯系统工程要求制作监控画面，选定相关图 形对象，通过定义动画并使静态画面随着过程控制对象产生 动态效果。
4）三层电梯系统相对比较复杂，通过对图形画面脚本 程序的编写以完成较复杂的操作上位控制。
三层电梯PLC编程实训组态画面如图3所示。
组态王OPC通讯配置 1）OPC服务器设置。如图4所示，打开三层电梯实训系 统工程，在组态王工程浏览器窗口中，选择设备项目中“OPC 服务器”项，在右侧窗口中双击“新建OPC”图标，此时系 统会自动搜索本计算机中已经安装的OPC服务器，并将搜索 到的所有OPC服务器显示于窗口右侧。此处选择三菱GX OPC sever创建的Mitsubishi.MXOPC.4 OPC服务器进行连接，完 成OPC设备的建立。
2）组态王数据词典的连接。OPC服务器与组态王数据词 典的连接设置方式与实物PLC数据词典的设置方式相同。如 图5所示，在组态王工程浏览器中点击“数据变量”，在右 侧窗口中选择相应的数据变量。如对于组态工程的I/O变量 X1，在“连接设备”选项选择Mitsubishi.MXOPC.4设备，然 后在“寄存器”选项下拉菜单中选择对应数据项“X1”，设 置好数据的类型和读写属性，即可实现OPC服务器与组态王 数据词典的连接。此时，虚拟PLC的X1端口数据便与组态王的X1数据变量实现了对应。
电梯实训系统设计在全虚拟方式以及连接实物PLC方式 都可以运行，如果选择连接真实PLC编程调试，则数据词典 中相应数据变量连接设备选择“新I/O设备”，“新I/O设备” 创建工程时定义为COM1口的三菱FX2编程口。此时实训页面 的数据与三菱FX2编程口进行数据链接，即可连接实物PLC进 行编程实训。
4 全虚拟PLC教学系统的应用 全虚拟PLC教学系统的优势 全虚拟的教学系统无需投 入任何硬件设施，也不需要任何维护费用，提供了高性价比 的学习模式；
应用时等同于实物PLC实训系统，不需要繁琐 的设置过程，非常方便；
全虚拟方式彻底摆脱了实训室，实 现了只需一台计算机就可以实现高水平PLC编程实训，实训 内容不受实训室设备的限制；
编程练习不仅限于实训室上课 时间，学生在课后可以利用自己的计算机随时随地进行编程 练习，在学习的时间和空间上进行了最大限度的延伸。实践 教学效果表明，全虚拟仿真系统的应用，对巩固学生所学编 程知识、提高学生的PLC应用水平起到积极的作用。
全虚拟PLC教学系统的不足 1）因GX simulator对部分编程指令不支持，对于三菱 FX系列，数据刷新指令和PID控制等指令不能使用，不支持 的指令GX simulator作为NOP处理。
2）组态王与三菱OPC服务器之间的通信连接，不支持I/O整数、实数类型的数据通信。在全虚拟方式中，组态王不能 读写PLC内部整数、实数类型数据，在只有I/O离散类型数据 通讯的三层电梯教学系统中，全虚拟方式和实物PLC方式应 用没有区别。
对于图例1的步进电机实训项目，需要通过仿真触摸屏 页面向PLC数据寄存器D写入数据，以设定步进电机的运行步 数或步进间隔等值，另外还需通过读取PLC数据寄存器D中的 数值以显示步进电机运行的步数。在全虚拟方式中，因为数 据通讯类型不支持，这部分功能将不能实现，而这些功能在 组态仿真系统连接真实PLC的情况下可顺利实现。
参考文献 [1]王宝林.基于组态软件的PLC仿真教学系统设计[J]. 轻工科技，2013（5）：111-112. [2]王春.基于组态软件的PLC实验教学系统[D].四川：
西华大学，2009：1-10. [3]郑敏，郑萍.全虚拟PLC实验系统的实现及教学应用 [J].高等教育研究，2011（3）：51-53. [4]三菱电机有限公司.GX Developer Ver.8/ Simulator Ver.6操作手册[M].2008. [5]魏洪新.OPC技术在工业控制领域的应用研究[J].河 北煤炭，2009（1）：12. [6]北京亚控科技发展公司.组态王中级培训教程 [EB/OL].