于洪國

（濱州學(xué)院電氣工程學(xué)院，山東 濱州256600）

0 引言

可編程序控制（Programmable Logical-Controller，PLC）是應(yīng)用分析型本科院校電氣自動化專業(yè)的重要必修實踐類課程之一[1]。目前，高校開展的PLC實驗實踐主要在PLC實驗臺或?qū)嶒炏渖线M行，實現(xiàn)項目的控制過程主要通過按鍵輸入和LED指示輸出模擬實驗過程，用于實現(xiàn)程序調(diào)試和排錯。雖然使用實驗中控制對象的物理模型可以形象地展示實驗過程，使實驗過程及調(diào)試過程更加直觀高效。但PLC控制對象的各種物理模型存在制造困難、更新快、價格高、維護困難等問題，難以在高校實驗室內(nèi)及時更新配備，已經(jīng)配置的控制物理模型設(shè)備往往與工業(yè)工程結(jié)合度低，種類少并且容易損壞，不能滿足目前應(yīng)用型高校為學(xué)生開設(shè)的PLC實踐課程的頻度和維度需求。

在傳統(tǒng)的真實實驗平臺上進行的實驗具有實驗前后維護時間長、實驗損耗大、受地域和時間限制多等特點。特別是可編程實驗過程中，要求自己動手編程和調(diào)試、運行程序并根據(jù)設(shè)備的動作來達到檢驗實驗效果的目的。因此，構(gòu)建虛擬PLC實驗平臺[2]，通過仿真模型的搭建構(gòu)建虛擬實驗控制對象，同時，進行實驗平臺的開發(fā)，用于傳統(tǒng)物理控制對象的替代或者輔助，針對與工業(yè)工程結(jié)合緊密的實驗環(huán)節(jié)的設(shè)計，優(yōu)化計算機平臺下軟硬件系統(tǒng)的操作環(huán)境，實現(xiàn)PLC實驗的仿真性和交互性功能，十分必要。

1 組態(tài)控制技術(shù)介紹

組態(tài)技術(shù)是在工業(yè)自動化領(lǐng)域興起的一種新型的軟件開發(fā)技術(shù)[3]，作為自動控制領(lǐng)域的系統(tǒng)監(jiān)控層級的應(yīng)用平臺和軟件開發(fā)環(huán)境，組態(tài)軟件為用戶提供了快速構(gòu)建工業(yè)過程自動控制系統(tǒng)的可視化通用性強的軟件工具。可以利用組態(tài)軟件提供的基于對象模型的開發(fā)工具，通過系統(tǒng)畫面和數(shù)據(jù)變量的有效組態(tài)，利用軟件驅(qū)動程序建立與硬件系統(tǒng)有效的通信方式，實現(xiàn)不同功能的應(yīng)用軟件開發(fā)。組態(tài)軟件通過仿真固有的數(shù)據(jù)變量定義和數(shù)據(jù)變量設(shè)置實現(xiàn)硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、分析以及顯示功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對物理設(shè)備的遠程監(jiān)測和過程控制，與傳統(tǒng)基于計算機語言的開發(fā)軟件相比，具有通用性強、可靠性高以及開發(fā)周期短等優(yōu)點。采用組態(tài)技術(shù)構(gòu)建不同應(yīng)用場景的虛擬仿真對象模型，無需進行通信接口的物理電路開發(fā)和設(shè)計，可以有效提高所搭建的軟件平臺系統(tǒng)的可靠性。

2 傳統(tǒng)PLC實驗平臺存在的缺陷

傳統(tǒng)PLC物理實驗平臺在實踐開展過程中要依據(jù)實驗項目的控制要求進行PLC硬件的選擇和配置，實現(xiàn)定義好相關(guān)的開關(guān)輸入及輸出量、模擬輸入及輸出量；后面要依據(jù)控制目標編寫PLC控制程序并下載到對應(yīng)的PLC模塊中，然后在物理實驗平臺觀測實驗的過程狀態(tài)和執(zhí)行結(jié)果。實驗項目被控對象的執(zhí)行結(jié)果一般采用LED燈表示，實驗過程不夠直觀，實驗者難以真實體驗到與工業(yè)現(xiàn)場相近的實驗過程。

隨著工業(yè)過程的現(xiàn)代化進程的推進和應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要的發(fā)展，實踐環(huán)節(jié)成為人才培養(yǎng)的重要途徑。因此，實踐培養(yǎng)模式及實踐過程環(huán)節(jié)需要與工業(yè)過程及生產(chǎn)實際緊密結(jié)合。PLC的更新?lián)Q代、推陳出新使得其實驗過程中被控對象也需要同步更新，當學(xué)校的教學(xué)設(shè)備及教學(xué)設(shè)施投入無法滿足正常教學(xué)需求時，PLC的實踐實驗環(huán)節(jié)的教學(xué)質(zhì)量會受到不同程度的影響。由于傳統(tǒng)的PLC實驗平臺硬件配置固化，物理控制對象不直觀，因此，實踐教學(xué)過程的靈活性和創(chuàng)新性不夠，學(xué)生的參與積極性不強，并且沒有工業(yè)應(yīng)用背景作為有效依托，導(dǎo)致實驗者參與者的興趣不夠高。

3 PLC虛擬實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

組態(tài)軟件通過建立虛擬仿真控制對象模型，用三維立體圖形化的方式在計算機顯示器上呈現(xiàn)，通過定義I/O數(shù)據(jù)變量與硬件設(shè)備建立通信連接，并按照組態(tài)控制目標要求和程序指令將目標數(shù)據(jù)發(fā)送給目標物理設(shè)備，對執(zhí)行機構(gòu)實施有效控制和參數(shù)調(diào)整。通過與設(shè)備中的實際寄存器即按照定義的寄存器地址一一對應(yīng)交換數(shù)據(jù)，基于組態(tài)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)掌握系統(tǒng)設(shè)備的運行信息，將數(shù)據(jù)信息進行存儲和顯示；用仿真對象模型替代硬件物理對象，充分體現(xiàn)了組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的動畫顯示、實時曲線和歷史曲線、實時報警和歷史報警等特點；并且組態(tài)軟件簡單易用，使得開發(fā)周期大大縮短，節(jié)約了開發(fā)時間。PLC虛擬仿真實驗平臺結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 PLC虛擬仿真實驗平臺整體結(jié)構(gòu)圖

隨著工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展，計算機軟件與硬件設(shè)備的通訊協(xié)議之間的接口呈現(xiàn)多樣化特征，不同廠家的組態(tài)軟件以及不同廠家的硬件設(shè)備包括PLC設(shè)備都有其獨立的通信協(xié)議。當用戶選擇不同的軟件和硬件時，就會面臨軟硬件之間通信集成的問題，而OPC技術(shù)的發(fā)展很好地解決了這一問題，該技術(shù)通過建立統(tǒng)一的接口，允許用戶軟件程序從不同的OPC服務(wù)器甚至運行在不同節(jié)點上的服務(wù)器進行數(shù)據(jù)的存取。OPC技術(shù)為控制領(lǐng)域的數(shù)據(jù)交換部分提供了重要的技術(shù)保證，國內(nèi)各大組態(tài)軟件公司的組態(tài)軟件都可以為OPC接口程序提供全面支持。通過OPC的通信方式，組態(tài)軟件可以支持西門子的PLC設(shè)備[4]。使用時在組態(tài)軟件中把計算機設(shè)置為OPC客戶端，通過建立與PLC的通信實現(xiàn)對PLC內(nèi)部寄存器、控制器及I/O接口狀態(tài)的實時監(jiān)測，以數(shù)據(jù)變量開關(guān)量或者模擬量值的形式傳輸?shù)杰浖到y(tǒng)，供上位實驗平臺使用及處理，最終實現(xiàn)實踐教學(xué)信息化發(fā)展[5]。

3.2 開發(fā)實例

通過組態(tài)軟件設(shè)計開發(fā)不同工業(yè)場景下PLC實驗仿真控制對象模型，仿真控制對象模型通過OPC通信方式與PLC模塊進行通信，通過PLC程序制定動態(tài)顯示仿真對象的運行狀態(tài)。這里只針對其中機械手動作控制實驗的仿真平臺建立過程進行設(shè)計說明。工業(yè)機械手在工業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)機械化過程中的應(yīng)用非常廣泛，是通過模仿人手的動作，按編制好的程序指令實現(xiàn)物品的自動抓取、搬運等功能的自動控制裝置[6]。通過分析實驗項目的具體工藝流程及運行過程，明確要實現(xiàn)的控制目標，定義PLC模塊的輸入輸出點及實現(xiàn)的具體功能，通過組態(tài)軟件進行功能設(shè)計，與PLC硬件模塊配合實現(xiàn)各自的目標任務(wù)。一般由PLC模塊完成程序流程的自動控制。通過組態(tài)軟件建立控制對象仿真模型及功能界面，采用不同的通信方式實現(xiàn)對實驗過程不同運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和過程模擬。

3.2.1 實驗過程控制要求

機械手動作模擬控制裝置按照實驗流程，其控制要求如下。

1）上升下降移動：啟動開關(guān)按下后，機械手下降，當下降到位，下限位開關(guān)閉合，機械手停止移動；當上升到位，上限位開關(guān)閉合，機械手停止移動。

2）抓取放松物體：機械手抓緊物體運行，持續(xù)夾緊到位，機械手夾緊物體保持該動作；需要放松物體時，機械手松開物體運行，持續(xù)松開到位，機械手松開物體保持該動作。

3）左右方向移動：向左或向右移動，當移動到位時，閉合左或者右限位開關(guān)，機械手停止左右移動。

4）回歸原位：運輸物體結(jié)束后，機械手向上回升，當回升到位，上限位開關(guān)閉合，機械手停止回升；并且向左移動，當左移到位，左限位開關(guān)閉合，機械手停止移動。

3.2.2 PLC輸入輸出定義

PLC模塊在滿足實驗過程控制要求的情況下，要合理使用輸入輸出點，盡量精簡所需要的輸入輸出點數(shù)，這樣可以降低PLC控制系統(tǒng)的硬件成本，還可以提高學(xué)生進行程序優(yōu)化設(shè)計的能力。按照實際應(yīng)用的需要，PLC模塊的輸入輸出定義要根據(jù)其控制對象的輸入輸出信號來確定。機械手動作模擬控制過程中，首先需要對PLC的I/O口進行定義和分配，PLC的I/O點分配表，如表1所示。

表1 機械手動作模擬控制PLC的I/O點分配表

3.2.3 組態(tài)仿真界面

通過組態(tài)軟件建立的機械手動作模擬控制仿真控制對象的實驗系統(tǒng)，如圖2所示，進行界面設(shè)置和組態(tài)軟件的腳本編寫，用不同的指示燈表示機械手的不同運行狀態(tài)，通過建立的機械手仿真模型模擬真實機械手上升、下降、左行、右行、夾緊、放松等動作。機械手的各種動作指令以及限位開關(guān)與PLC程序中輸入輸出點通過組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)變量進行關(guān)聯(lián)；在實驗中，通過定義的輸入輸出點進行PLC程序的開發(fā)調(diào)試和下載，通過仿真模型界面實時動態(tài)進行機械手的動作顯示，直觀生動地展現(xiàn)PLC程序控制下機械手的真實動作過程。

圖2 機械手模擬動作控制仿真界面

3.3 實驗過程

組態(tài)軟件通過建立的OPC服務(wù)器，通過OPC連接方式與PLC硬件設(shè)備進行通信設(shè)置，進入組態(tài)運行系統(tǒng)后，選中“切換到View”選項，打開創(chuàng)建好的不同實驗過程的仿真組態(tài)界面，進入運行系統(tǒng)中進行PLC的運行調(diào)試。將下載好程序的PLC模塊切換到“RUN”模式，根據(jù)控制要求，按照運行流程逐步對系統(tǒng)進行模擬，確保系統(tǒng)所有功能及控制要求都符合要求。具體實驗步驟如下：

1）按照不同實驗項目和工藝過程的控制要求定義PLC的輸入輸出點，分析實驗項目和工藝過程的控制要求，明確控制目標。

2）依據(jù)定義好的輸入輸出點，設(shè)計PLC模塊的輸入輸出端子的硬件接線。

3）應(yīng)用PLC編程軟件開發(fā)實驗項目和控制過程程序，編譯調(diào)試程序并下載至PLC模塊中。

4）建立PLC模塊與上位機組態(tài)仿真實驗平臺的通信。通過運行實驗項目的仿真界面，形象直觀地觀察仿真界面；通過PLC實驗過程中被控仿真模型對象的運行狀態(tài)和運行過程，驗證PLC程序的正確性。

4 結(jié)論

利用組態(tài)軟件基于OPC通信模式對PLC虛擬實驗平臺進行了設(shè)計，開發(fā)了不同實驗項目控制對象的仿真模型和實驗界面，通過不同工藝過程和實驗項目的仿真模型動態(tài)展示PLC實驗的運行狀態(tài)和工藝過程，從而使學(xué)生能夠同步理解具體的實驗內(nèi)容和工業(yè)過程。通過該教學(xué)平臺有效結(jié)合不同工程案例，豐富學(xué)生的工程實踐經(jīng)驗，解決了現(xiàn)有PLC教學(xué)器材、設(shè)備等資源緊張及維護成本高的問題，大大提高了學(xué)生參與實踐教學(xué)的積極性及創(chuàng)造性。