虚拟PLC仿真实验平台的设计.pdf

2 0 1 6年第 2期 工业仪表与自动化装置 7 7 虚拟 P L C仿真实验 平台的设计 周天沛 ， 代洪 I ． 徐州工业职业技术学院 机 电工程学院， 江苏 徐 州 2 2 1 1 4 0 ； 2 ． 常州信息职业技术学院 电子与电气学院， 江苏 常州 2 1 3 i 0 0 摘要 为解决 目前 P L C仿真实验平 台在无 P L C硬件条件下无法进行 P L C实验及远程资源共享 的问题， 提 出了一种完全虚拟条件 下的 P L C仿真实验平台。该实验平台由 P L C仿真软件 G X S i m u l a t e r 、 工业组态软件组态王和虚拟 串口软件 V S P D组成 。P L C仿真软件虚拟 实际的 P L C， 工业组 态 软件模拟实际的控制对象， 虚拟 串口实现虚拟 P L C和组 态王的通信 ， 并 可以通过 We b发布将 实验 平台与各个用户终端相连， 实现实验资源的远程共享。该实验平台充分利用现有计算机和网络资 源， 满足 了学生 自主学习和 自我学习的要 求， 是一种先进的 P L C实验教 学系统。 关键词 P L C； 虚拟仿真 ； 实验平台； We b发布 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 6 0 2 0 0 7 7 0 3 De s i g n o f v i r t u a l PLC s i mul a t i o n e x pe r i me nt a l pl a t f o r m ZHOU Ti a n pe i ，DAI Ho ng 1 ． S c h o o l o fMe c h a n i c a l a n d E l e c t r ic a l E n g i n e e r i n g ， Xu z h o u C o l l e g e ofI n d u s t r i a l T e c h n o l o g y ， J i a n g s u X u z h o u 2 2 1 1 4 0 ，C h i n a； 2 ．S c h o o l ofE l e c t r o n i c a n d E le c t r i c a l E n g i n e e r i n g，C h a n g z h o u C o l l e g e ofI n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y ， J i a n g s u C h a n g z h o u 2 1 3 1 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Ge n e r a l l y s p e a k i n g ，P L C s i mu l a t i o n e x p e rime n t a l p l a t f o r m c a n n o t a n d s h a r e r e mo t e r e s o u r c e u n d e r c o n d i t i o n wi t h o u t P L C h a r d w a r e，t h e f u l l v i r t u a l P L C s i mu l a t i o n e x p e ri me n t a l p l a t f o r m i s p r o po s e d． T h e e x p e rime n t a l p l a t f o rm c o ns i s t s o f t h e PLC p r o g r a mmi ng s i mu l a t i o n s o f t wa r e GX S i mu l a t o r ， i n d us t ria l c o n fig u r a t i o n s o f t wa r e Ki ng v i e w a nd v i rtu a l s e ria l p o r t s o f t wa r e VSP D．PL C p r o g r a mmi ng s i mu l a t i o n s o f t w a r e s i m u l a t e s t h e a c t u a l P L C， i n d u s t ri a l c o n fi g u r a t i o n s o f t w a r e s i m u l a t e s a c t u a l c o n t r o l o b j e c t s ， a n d t h e c o mmu n i c a t i o n b e t we e n v i rtu a l PLC a n d Ki n g v i e w i s i mp l e me nt e d b y v i rtu a l s e ria l p o rt．T he e x p e rime n t a l p l a t f o r m a nd v a rio u s t e r mi n a l s a r e c o n n e c t e d b y W e b p ub l i s hi ng f o r r e a l i z i ng r e mo t e s h a rin g o f r e s o u r c e ．Th e e x p e rime n t a l p l a t f o r m ，ma k i n g f u l l us e o f e x i s t i n g c o mpu t e r a n d ne t wo r k r e s o u r c e s t o me e t t h e s e l f l e a r n i n g o f t h e s t u d e n t s ，i s a n a d v a n c e d P L C e x p e r i me n t a l a n d t e a c h i n g s y s t e m． Ke y wo r ds PLC；v i rtu a l s i mul a t i o n；e x pe rime n t p l a t f o rm ；W e b p u b l i s h i n g 0 引言 P L C是以微处理器为基础， 综合了计算机技术、 控制技术、 通信技术等高新技术 ， 是近年来 发展迅 速、 应用极广的一类工业装置 。在工业生产 中， P L C 已经成为工业生产 自动化的三大支柱之一。因此在 各个高校 ， 尤其是 高职 院校纷纷 开设 了 P L C课程 。 由于 P L C课程是一门实践性很强的课程， 实验教学 收稿 日期 2 0 1 50 7一O 1 基金项目 2 0 1 0 年度江苏省高校科研成果产业化推进项 目“ 基 于虚拟仿真 的 P L C网络教学实验系统的产业化研究” J S 2 0 1 0 2 9 作者简介 周天沛 1 9 7 7 ， 男 ， 江苏徐州人， 博士， 徐州工业职业 技术学院副教授， 研究方向为虚拟实验平台开发。 显得尤为重要 。而实验教学离不开实验 室的建设 ， 因此各高校在 P L C实验室建设方面都投入 了大量 的资金。 目前在各 高校使用 的 P L C实验平 台主要 有两种 一是采用真实被控对象和 P L C硬件的 P L C 实验平台 ， 这类实验平台全部采用真实部件 ， 其维护 和更新成本较高。另一种实验平 台的被控对象及现 场设备由实物变为虚拟仿真， 然后通过接口电路传 送到 P L C， P L C处理后再通 过接 口电路驱 动被控 对 象模型进行相应地动作， 学生通过仿真程序界面可 实时观察 P L C的运行状况， 完成P L C控制程序的调 试 j 。该实验平台由于不需要采用真实的被控对 象及现场设备， 其开发周期大大缩短 ， 硬件成本也大 大降低， 受到越来越多的重视。 然而， 此类 P L C仿真实验平台在使用过程中也 7 8 工业仪表 与 自动化装 置 2 0 1 6年第 2期 发现 了一些问题。主要 问题是该实验平台需要有真 实的 P L C硬件 ， 而学生下课 后在宿舍或图书馆等其 他非实验室环境下就无法使用 ， 使得学 习效果有一 定的折扣 。为解 决无 P L C硬件条件下 的实验 资源 共享 的问题 ， 该 文提 出 了一 种完 全虚 拟条 件下 的 P L C实验平 台， 该平台将虚拟 P L C仿真技术 、 虚拟 通信技术 、 工业组态软件技术 和网络技术有机地结 合在一起 ， 可以进行在原有实验平 台上所做 的全部 实验 ， 满足了学生 自主学习和 自我学习的要求 ， 开辟 了一种利用现有资源实现 P L C实验教学 的新方法 。 1 虚拟 P L C仿真实验平台的设计方案 该实验平 台由 P L C实验平 台和远程 网络平 台 两大部分组成 ， 其 中 P L C实验平 台包括 P L C编程软 件、 P L C仿真软件、 虚拟串口和组态软件组态王 。结 构如 图 1所示 。 【-一一一一一一一一一一一一～一一～一一一一一一～一一一一_1 图 1 虚拟 P L C仿真实验平台结构图 由于该实验平 台是建立 在 P C机上 ， 需 要安装 P L C编程软件 ， 一般来说 ， P L C编程软件都 自带 P L C 程序仿真功能， 如三菱 P L C编程 软件 G X D e v e l o p e r 的 G X S i mu l a t o r ， 西 门子 P L C编程软件 S t e p 7的 S 7 一 P L C S I M， 这些都可以将其作为虚拟 P L C来使用 ， 即在 P L C编程软件中编写好梯形图程序 ， 经编译无 误后将其下载到仿真程序 中， 运行 P L C编程软件 ， 即可模拟 P L C运行 。下面 以三菱 P L C为例来 具体 说明该虚拟 P L C仿真实验平台的建立过程。 首先在 G X D e v e l o p e r中编写梯形图程序 ， 经编 译无误后将其下载到 G X S i m u l a t o r中， 运行 G X S i re u l a t o r ， 即可模拟 P L C运行l 3 J 。工业组态软件， 也 就是上位机软件， 采用国内使用比较广泛的组态王 6 ． 5 ， 在组态王中通过模拟 P L C的被控对象和相关 的现场设备 ， 以实现对虚拟 P L C的监 控 J 。另外 ， 利用虚拟 串口V S P D将虚拟 P L C的 G X S i m u l a t o r 软 件和组态王软件连接起来， 进行数据的传递。 远程网络平台可以实现资源共享和远程教学， 具体通过组态王软件的 We b网络发布功能来完 成 。学生可以在宿舍 、 图书馆等其他非实验室环 境下通过网络浏览器对该 P L C实验平 台的资源进 行 I P访 问来共享实验室的资源， 并可以在课后完成 远程 P L C实验来进行 自主学习。 2 虚拟 P LC仿真实验平台的建立 2 ． 1 虚拟 P L C的建立 P L C仿真软件 的功能就 是将编写好 的 P L C程 序在电脑中虚拟运行 ， 如果没有编好 的程序 ， 是无法 进行仿真的。所 以， 在安装仿真软件 G X S i mu l a t o r 6 之前 ， 必须先安装编程软件 G X D e v e l o p e r ， 并且版本 要互相兼容 。 以三菱公 司的 F X系列的 P L C为例 ， 在安装好 编程软件和仿真软件后 ， 仿真软件被集成 到编程软 件 G X D e v e l o p e r中了， 在 G X D e v e l o p e r 中根据实验 要求编写好 P L C控制程序 ， 编译通过后 ， 选择“ 梯形 图逻辑测试启动”， 将 P L C程序下载到仿真软件 G X S i mu l a t o r ， 写入 P L C完成后 ， 此时 G X S i mu l a t o r 就相 当于一 台虚拟 P L C 。 2 ． 2 虚拟 P L C与组态软件的通信实现 1 虚拟 P L C的通信 串口设 定。虚拟 P L C处于 R U N状态时 ， 选择菜单启动中的串 口通信机 能的设 置窗 口， 在窗 口中设定 G X S i m u l a t o r的串 口通信参 数 J 选择 C O M3口， 波特率为 9 6 0 0 b p ／ s ， 7位数据 位 ， 1位停止位 ， 偶校验。 2 组态王的通信 串口设定 。在组态王 的“ 工程 浏览器” 的左侧选择 “ 设备／ C O M1 ” ， 双击输入通信 参数 通信波特率为 9 6 0 0 b p ／ s ， 7位数据位 ， 1位 停止位 ， 偶校验 ， 串口通信号为 C O M4 。然后在 “ 设 备配置 向导” 中单击 P L c 一 三菱一F x 2 N 一 编程 口， 完成对组 态王 的通信参 数 配置 ， 保证 组态 软件 和 P L C的通信能够正常完成。 3 虚拟 串口 V S P D的 串口设定 。V S P D是 V i r t u a l S e r i a l P o r t D r i v e r的简写 ， 是一款虚拟串口驱动 ， 安装后可以在电脑上虚拟任何想要 的串口端 口号 ， 最多能够 虚拟 2 5 4个 串 口l 1 。如图 2所 示 ， 点击 “ A d d p a i r ” ， 可以添加 成对 的串 口。一对 串口已经 虚拟互联 了， 如果添加 的是 C O M3 、 C O M 4， 用 C O M3 发送数据 ， C O M 4就可以接收数据。 综上所 述 ， 对 于 该 实 验平 台 而 言， 只 需 通 过 V S P D虚拟串 口软件建立一个对应 G X S i m u l a t o r的 C O M 3口和一个对应组态 王的 C O M 4口， 两者就可 以进行通信连接。 2 0 1 6年第 2 期 工业仪表与自动化装置 8 3 控制器时锅炉 的实际温度曲线 ， 图 6是采用 A G A F U Z Y Y P I D控制器时锅炉的实际温度 曲线。可以 看出采用 A G AF U Z Z YP I D算法的控制系统上升 时间快 ， 稳态误差极小 ， 几乎无超调 ， 动静态性能 明 显优于 F U Z Z YP I D算法。 图5 基于F U Z Z YP I D算法电锅炉温度曲线 图6 基于 A G AF U Z Z YP I D算法电锅炉温度曲线 4 总结 在实际的工业工程控制中， 为获得较好的控制 效果 ， 设计控制器时往往考虑将复杂的控制算法 与 P I D相结合 ， 但只采用 P L C控制并不能达到 良好效 果 。O P C技术恰好弥补了 P L C M A T L A B的缺点 ， 将 两者 的优 点完 美结合 起 来。因此 ， 该 文所 探 讨 的 O P C技术在工业过程控制领 域具有重要 的实际意 义及现实的推广价值 。 参 考文献 [ 1 ] 蔡 自兴． 智能控制 [ M] ． 2版． 北京 电子工业 出版 社 ， 2 0 0 4 ． [ 2 ] 廖常初． s 73 0 0 ／ 4 0 0 P L C应用技术[ M] ． 2版． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 3 ] 强明辉， 何 晓． 基于 P L C模糊 自适应 P I D伺服控制系 统[ J ] ． 自动化与仪器仪表 ， 2 0 1 3 4 1 8 01 8 3 ． [ 4 ] 许其义， 李坤． 一种基于 P L C的模糊 自适应 P I D控制 器设计 [ J ] ． 电子技术 ， 2 0 0 9 ， 3 6 1 2 3 23 3 ． [ 5 ] 刘洪玮 ， 石红瑞． 基于遗传算法优化的汽车巡航模糊 控制策略[ J ] ． 计算机仿真 ， 2 0 1 0， 2 7 7 2 8 52 8 7 ． [ 6 ] 金鹏， 李晶． 基于智能算法的双平板导热系数测试仪 [ J ] ． 工业仪表与 自动化装置， 2 0 1 5 6 2 9 3 1 ． 上接第 7 9页 5 结论 该文提出的虚拟 P L C仿真实验平 台， 有效地解 决了在无 P L C硬件条件下进行 P L C实验的问题 ， 有 利于 P L C教学 的普及和推广。利用组态王 We b发 布功能 ， 将 P L C实验平 台与各个实验终端相联 ， 实 现了资源共享和教学之间的互动 ， 与时下最流行的 “ 慕课” 这一种在线课程开发模式非 常相似 ， 满足了 学生 自主学习和 自我学习的要求。 参考文献 [ 1 ] 张建刚， 郑萍． 基于 MC G S和 P L C的小车装卸料虚拟 系统设计[ J ] ． 成都纺织高等专科学校学报， 2 0 1 0 ， 2 7 1 1 21 5 ． [ 2 ] 陈海生， 郑萍全． 虚拟 P L C远程试验系统的研究与实 现[ J ] ． 自动化仪表， 2 0 1 3 ， 3 4 3 2 8 3 0 ． [ 3 ] 李艳丽， 范蟠果， 许建社， 等． 计算机与三菱 P L C编程口 通信的应用研究[ J ] ． 测控技术， 2 0 0 6 ， 2 5 9 5 5 5 7 ． [ 4 ] 廖常初． F X系列 P L C编程及应用[ M] ． 北京 机械工 业 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 5 ] 王敏， 张宝华． 组态王在提升系统监控 We b发布中的 [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 2 ] 应用[ J ] ． 山东煤炭科技， 2 0 1 3 4 1 4 21 4 3 ． 陈在平， 苗家森， 孙全胜， 等． 基于组态王的加热炉监 控系统[ J ] ． 化工 自动化及仪表， 2 0 1 2， 3 9 9 1 1 9 4 11 96． 郭西进， 任良才， 耿乙文， 等． P L C综合实训平台的设 计与实现[ J ] ． 实验室研究 与探索， 2 0 1 1 ， 3 0 6 1 6 2 1 6 5． 胡兆勇 ， 何汉武． 面向三菱 F X系列的虚拟 P L C创新实 验[ J ] ． 实验室研究与探索 ， 2 0 1 0 ， 2 9 1 0 2 7 0 2 7 3 ． 靳雷， 周永情． 基于三菱 自动化集成技术的 P L C仿真 实验平台开发[ J ] ． 实验技术与管理， 2 0 1 2 ， 2 9 4 1 0 5 1 07． 聂聪． 基于串口通信的工控组态软件系统的设计与 实现[ D ] ．武汉 华中科技大学， 2 0 1 2 ． 阳世荣． K e i l 与 V S P D软件仿真的智能仪表串口通信 调试方法[ J ] ． 单片机与嵌入式系统应用 ， 2 0 1 0 9 2 93 2． 贺威 ， 张连山， 吴忻生． 基于 I n t e me t 的远程过程控制 实验系统[ J ] ． 控制工程， 2 0 0 7 ，1 4 s 1 1 1 51 1 7 ．