基于易控组态软件全虚拟PLC的实现及应用

     摘 要：在分析目前可编程逻辑控制器（PLC）实验方法的基础上，提出借助于易控组态软件，构建一种全虚拟PLC 控制系统，实现一种贴近工业实际的、方便的PLC 实验方法。以工业清洗机的控制系统为例，给出了全虚拟PLC 系统应用的方法，仅用一台PC 机完整实现了具有上下位监控的PLC 清洗机控制实验。教学结果证明该方法实用性广、迁移性强，其编程方法、监控模式、通道设置等与工业实际相同，而且只要有PC 机就可完成该类实验，使高水平PLC 实验得以随处实现。

　　1、PLC 课程教学试验系统的发展

　　由于可编程逻辑控制器（PLC）应用广泛，目前从职业培训学院到工科大专院校都开设有PLC 课程。而PLC 是一门理论性、趣味性及实践性都很强的课程，需要精讲多练、开设与工业实际应用紧密结合的实验课程、搭建良好的实验平台。实验课程需要解决的关键在于PLC 的控制对象问题，目前存在不同形式的 PLC 教学实验系统，基本上可分为三大类：

　　1.1 全实物的 PLC 实验系统

　　完整的PLC控制系统是以实物PLC硬件及各种设备硬件（诸如继电器、电机驱动，电机、传感器）等按照工业实际连接方式进行组合，通过上位PC机与PLC的通信完成上位组态的实物模拟。实现这种实验系统，学校或机构需要购置足够应用于实验各环节的设备，要求相当高的资金投入。

　　1.2 以上位PC 机软件与下位PLC 硬件结合构成的实验系统

　　将组态技术应用于虚拟PLC装置的开发，运用组态软件在PC机上全真模拟PLC的控制对象，以动画形式演示PLC控制对象的工作过程。具有成本低、免维护、灵活多样、形象直观等优点，很好地解决了传统开设PLC实验方法遇到的各种困难。其实验系统构成只需上位监控PC机和下位的PLC硬件。但这种实验方法因其无法脱离PLC硬件 ，仍需要在实验室进行。

　　1.3 利用PLC仿真软件，实现脱离PLC硬件的仿真实验系统

　　此类初级实验仅仅是能进行编程后的仿真，如三菱GX Developer提供的GX Simulator运行仿真。为了能够如第二类方式一样可以实现上位监控和下位PLC的运行，国内外学者已提出一些有效的全虚拟方法，诸如对于三菱PLC，采用基于GX Simulator与昆仑通态的组态软件MCGS通过虚拟串口进行连接，实现全虚拟的上下位控制，但这种方法存在上下位控制速度慢的问题；另外对于西门子PLC, WinAC作为控制程序的运行引擎，VB语言编写上位监控界面程序，通过WinAC提供的“Computing”部件，采用Active控件第三方程序即可访问控制程序中的过程数据，但由于需要VB另外编程，很不方便，其实用、迁移性不强。

　　针对以上问题，本文提出借助于易控组态软件及MX Component，采用GX Developer作为编程平台，利用GX Simulator构建一种全虚拟PLC控制系统，实现一种贴近工业实际的、先进的、方便的PLC实验方法。以工业清洗机的控制系统为例，展现仅用一台PC机如何完整实现具有上下位控制的PLC清洗机控制实验。这种方法无需引入新的编程，只要掌握组态软件的设计方法和PLC的编程方法即可，其编程方法、监控模式、通道设置等与工业实际相同，使高水平PLC实验得以脱离PLC实验室而随处实现，尤其在成人教育的业余及函授形式中，给学生提供了一种脱离实验室全新的自学PLC控制系统的实验形式，解决了PLC实验的瓶颈问题，对PLC的普及教育具有良好的实际意义。并借助于易控组态软件提出了一种实现全虚拟PLC的新方法，且提出一种改进的PLC教学实验方法，该方法可使学生在学习PLC课程时更好的理解和运用PLC。通过对工业清洗机的应用，验证了该方法的可靠性和实用性。

　　2、基于易控组态软件的全虚拟PLC 教学实验系统构成

　　2.1 基于易控组态软件三菱PLC的全虚拟实验系统实现步骤

　　基于易控组态软件三菱PLC的全虚拟实验系统如图1所示。

图1 全虚拟实验系统

　　（1）首先安装三菱的编程平台GX Developer和GX Simulator仿真程序，安装MXComponent和易控组态软件（INSPEC）。（2） GX Developer是三菱的通用编程软件，可完成三菱全系列PLC的编程、监控、调试和维护工作，可支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB编程。

　　完成梯形图的编制后，启动梯形图逻辑测试工具（LLT） ，则梯形图程序写入虚拟PLC的CPU中，且虚拟PLC自动置RUN状态。（3） INSPEC是一种面向工业自动化的通用数据采集和监控的组态软件，它能够实现对自动化过程和装备的监视和控制。根据实际现场的需要，在易控组态软件平台上进行上位监控界面设计，依照易控组态软件的应用要求绘制并连接各个画面，建立基于易控组态软件的监控界面。（4）MX Component是三菱一款用于PC与PLC进行通信的软件，MX Component支持个人计算机与可编程控制器之间的所有通信路径，兼容多种语言诸如VisualC++ 、Visual Basic 和Access Excel 的VBA、 VBScript等，在易控组态软件中就是应用MX Component与GX Simulator进行通信的。打开MX Component软件，在MXComponent设置界面上将PC side I/F项后的下拉目录选择为GX Simulator项、将CPU type项后的下拉目录选择为FX2N(C)项。这种基于易控组态软件和应用MX Component与GXSimulator握手通信方法很简洁。经过简单设置后，可以通过MX Component运行界面上的Connection test项进行通道建立成功与否的检测，当通道建立成功并进行检测后可以看到虚拟通道连接成功的提示。

　　综上所述，GX Simulator和易控组态软件通过MX Component进行通信连接，建立基于易控组态软件的监控界面和GX Simulator的对应信息交互，终实现仿真运行与上位监控的对应关系，在一台PC机上实PLC的仿真运行和上位监控。

　　2.2 虚拟实验的应用方法

　　只需要有一台PC机，学生就可完一个具有上位监控和下位PLC运行的完整PLC实验系统设计。学生通过这种实验系统，既掌握了PLC的程序设计和调试方法，又学会了上位组态软件的监控设计。其设计可以分两种形式：

　　（１）由教师开发上位监控系统，并进行相应的通道连接，学生无需考虑所有设定与上位监控系统的连接。教师提供相应的连接地址给学生，学生按提供的地址编程，仅仅进行下位PLC的设计即可和上位监控界面接通。上位监控系统既可控制PLC，又可形象逼真地反应实际的控制过程和PLC程序运行效果，形象直观。（２）学生首先设计PLC程序，并进行GXSimulator的仿真调试。根据程序的上位监控要求，进行上位监控组态窗口的设计，然后通过MX Component进行通信连接，完成一个完整PLC系统设计实验。虽然是全虚拟的设计，但其设计方法与实际工业应用开发完全一致，所以具有很好的实用性和迁移性。

　　3、工业清洗机全虚拟控制系统的实现

　　下面给出全虚拟PLC工业清洗机控制系统，采用易控组态软件进行上位监控设计，以该实例展现全虚拟PLC应用的方法和过程。

　　3.1 工业清洗机控制系统分析与PLC编程调试

　　工业清洗机工作流程如下：

　　将欲清洗的工件置于挂篮中，将挂篮放置在挂杆上，按下启动按钮，挂杆向下运动将工件置于清洗液中，加热清洗液至沸腾，启动超声波生器工作20分钟后，超声波发生器停止工作，挂杆向上运动将工件置于蒸汽中5分钟，停止加热，启动喷淋5分钟，其后停止喷淋，取出工件于传送带上，按下清洗结束按钮，启动传送带工作。

　　按以上工作流程要求在GX Developer编写梯形图控制程序，将编写好的部分梯形图程序写入虚拟PLC(既启动LLT)，进入虚拟仿真调试，完成工业清洗机的PLC控制系统的编程调试。

　　3.2 基于易控组态软件的上位监控界面设计

　　（1）组建系统工程：首先运行易控组态软件进入组态画面，分析工业清洗机控制系统工程项目结构，建立工程结构框架。本控制系统包含挂篮、启/停按钮、清洗罐、加热器、超声波生器、冷凝器、抓手、传送带和几个传感器等。从组态软件的“对象元件库”选取并置于用户窗口的适当位置。控制界面如图2所示。（2）制作动画显示画面：将用户窗口中图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接，并设置相应的动画属性。（3）运行策略：

图2 上位机界面运行图

　　本设计为了生动地表现当启动按钮按下，挂杆向下运动、喷淋阀门打开（通过变色显示）以及传感器动作等复杂的动画显示及关联过程，采用了脚本程序在运行策略中的循环策略来仿真其工作的过程。（4）设备窗口组态：打开易控组态软件后，分别在“IO通信”与“变量”

　　选项中添加控制量信息。然后进行相应的通信参数连接设置。

　　3.3 虚拟通道连接与上下位综合调试

　　（１）基于易控组态软件的上位监控界面与GX Simulator的连接：打开MX Component应用软件，设置其与GX Simulator虚拟通道的连接。（２）运行易控组态软件，按动图2所示控制面板上的启动按钮，则PLC开始运行，图2中的挂篮会依程序的运行自动下降，所示画面完全跟随PLC的运行动画显示，其指示灯变亮、加热器变色、喷淋阀打开时喷出冲洗液。这样，具有上下位控制的工业清洗机全虚拟PLC控制系统实验就形象、逼真的完成了。

　　通过以上实例的介绍，可以看到本文所提出的全虚拟PLC实验方法的简洁性，在安装有以上所需软件的PC机上便可完成实际现场PLC控制的全部模拟过程。

　　本文比较阐述了PLC各种实验室应用方法的不同及不足、研究了全虚拟PLC教学实验室的实现方法及其在工业清洗机中的应用。在与传统PLC教学实验方法对比后表明本文所构建的全虚拟仿真系统彻底摆脱了实验室，实现了只需要PC机和相关软件即可实现高水平PLC实验目的，搭建了一个随处可实现的PLC良好自学平台，其实验内容不受实验室仪器设备、实验材料的限制，即可以很方便的更新、增加实验内容，解决了PLC实验的瓶颈问题，尤其是对成人教育中采用业余及函授形式的学生学习PLC具有特别重要的意义。该实验方法将PLC的高水平实验在时间和空间上进行了限度的延伸，提供了高性价比的学习模式。具体教学应用表明，该方法是行之有效的、可行的，对提高学生的PLC应用水平起到积极的作用。

  

参考文献:

[1]. PLC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PLC_1248813.html.
[2]. PC  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PC+_2043275.html.
[3]. SFC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/SFC_2043401.html.