摘要：利用组态软件通过硬件组态、数据组态、画面组态开发了PLC虚拟实验平台。利用组态软件根据各实验项目建立I/O数据变量库，建立了实验平台系统OPC服务器，实现了仿真实验平台实时接收外部PLC设备的工作状态数据。同时，也可对其进行控制和操作，实现对实验教学项目控制程序的实时监控，实现对组态界面虚拟的被控对象的动态显示与控制过程中PLC状态的实时监测，实现对PLC程序执行结果的判定。通过该方式创新优化了实验教学方法和教学手段，提高了实验平台的实践性和工程适应性。
关键词：可编程控制器；组态技术；虚拟仿真；动态显示
0引言
可编程序控制（ProgrammableLogical-Controller，PLC）是应用分析型本科院校电气自动化专业的重要必修实践类课程之一[1]。目前，高校开展的PLC实验实践主要在PLC实验台或实验箱上进行，实现项目的控制过程主要通过按键输入和LED指示输出模拟实验过程，用于实现程序调试和排错。虽然使用实验中控制对象的物理模型可以形象地展示实验过程，使实验过程及调试过程更加直观高效。但PLC控制对象的各种物理模型存在制造困难、更新快、价格高、维护困难等问题，难以在高校实验室内及时更新配备，已经配置的控制物理模型设备往往与工业工程结合度低，种类少并且容易损坏，不能满足目前应用型高校为学生开设的PLC实践课程的频度和维度需求。在传统的真实实验平台上进行的实验具有实验前后维护时间长、实验损耗大、受地域和时间限制多等特点。特别是可编程实验过程中，要求自己动手编程和调试、运行程序并根据设备的动作来达到检验实验效果的目的。因此，构建虚拟PLC实验平台[2]，通过仿真模型的搭建构建虚拟实验控制对象，同时，进行实验平台的开发，用于传统物理控制对象的替代或者辅助，针对与工业工程结合紧密的实验环节的设计，优化计算机平台下软硬件系统的操作环境，实现PLC实验的仿真性和交互性功能，十分必要。
1组态控制技术介绍
组态技术是在工业自动化领域兴起的一种新型的软件开发技术[3]，作为自动控制领域的系统监控层级的应用平台和软件开发环境，组态软件为用户提供了快速构建工业过程自动控制系统的可视化通用性强的软件工具。可以利用组态软件提供的基于对象模型的开发工具，通过系统画面和数据变量的有效组态，利用软件驱动程序建立与硬件系统有效的通信方式，实现不同功能的应用软件开发。组态软件通过仿真固有的数据变量定义和数据变量设置实现硬件设备的数据采集、分析以及显示功能，能够实现对物理设备的远程监测和过程控制，与传统基于计算机语言的开发软件相比，具有通用性强、可靠性高以及开发周期短等优点。采用组态技术构建不同应用场景的虚拟仿真对象模型，无需进行通信接口的物理电路开发和设计，可以有效提高所搭建的软件平台系统的可靠性。
2传统PLC实验平台存在的缺陷
传统PLC物理实验平台在实践开展过程中要依据实验项目的控制要求进行PLC硬件的选择和配置，实现定义好相关的开关输入及输出量、模拟输入及输出量；后面要依据控制目标编写PLC控制程序并下载到对应的PLC模块中，然后在物理实验平台观测实验的过程状态和执行结果。实验项目被控对象的执行结果一般采用LED灯表示，实验过程不够直观，实验者难以真实体验到与工业现场相近的实验过程。随着工业过程的现代化进程的推进和应用型人才培养的需要的发展，实践环节成为人才培养的重要途径。因此，实践培养模式及实践过程环节需要与工业过程及生产实际紧密结合。PLC的更新换代、推陈出新使得其实验过程中被控对象也需要同步更新，当学校的教学设备及教学设施投入无法满足正常教学需求时，PLC的实践实验环节的教学质量会受到不同程度的影响。由于传统的PLC实验平台硬件配置固化，物理控制对象不直观，因此，实践教学过程的灵活性和创新性不够，学生的参与积极性不强，并且没有工业应用背景作为有效依托，导致实验者参与者的兴趣不够高。
3PLC虚拟实验平台的设计与实现
3.1系统的总体设计
组态软件通过建立虚拟仿真控制对象模型，用三维立体图形化的方式在计算机显示器上呈现，通过定义I/O数据变量与硬件设备建立通信连接，并按照组态控制目标要求和程序指令将目标数据发送给目标物理设备，对执行机构实施有效控制和参数调整。通过与设备中的实际寄存器即按照定义的寄存器地址一一对应交换数据，基于组态的远程监控系统掌握系统设备的运行信息，将数据信息进行存储和显示；用仿真对象模型替代硬件物理对象，充分体现了组态监控系统的动画显示、实时曲线和历史曲线、实时报警和历史报警等特点；并且组态软件简单易用，使得开发周期大大缩短，节约了开发时间。PLC虚拟仿真实验平台结构，如图1所示。随着工业控制技术的发展，计算机软件与硬件设备的通讯协议之间的接口呈现多样化特征，不同厂家的组态软件以及不同厂家的硬件设备包括PLC设备都有其独立的通信协议。当用户选择不同的软件和硬件时，就会面临软硬件之间通信集成的问题，而OPC技术的发展很好地解决了这一问题，该技术通过建立统一的接口，允许用户软件程序从不同的OPC服务器甚至运行在不同节点上的服务器进行数据的存取。OPC技术为控制领域的数据交换部分提供了重要的技术保证，国内各大组态软件公司的组态软件都可以为OPC接口程序提供全面支持。通过OPC的通信方式，组态软件可以支持西门子的PLC设备[4]。使用时在组态软件中把计算机设置为OPC客户端，通过建立与PLC的通信实现对PLC内部寄存器、控制器及I/O接口状态的实时监测，以数据变量开关量或者模拟量值的形式传输到软件系统，供上位实验平台使用及处理，最终实现实践教学信息化发展[5]。
3.2开发实例
通过组态软件设计开发不同工业场景下PLC实验仿真控制对象模型，仿真控制对象模型通过OPC通信方式与PLC模块进行通信，通过PLC程序制定动态显示仿真对象的运行状态。这里只针对其中机械手动作控制实验的仿真平台建立过程进行设计说明。工业机械手在工业生产及农业机械化过程中的应用非常广泛，是通过模仿人手的动作，按编制好的程序指令实现物品的自动抓取、搬运等功能的自动控制装置[6]。通过分析实验项目的具体工艺流程及运行过程，明确要实现的控制目标，定义PLC模块的输入输出点及实现的具体功能，通过组态软件进行功能设计，与PLC硬件模块配合实现各自的目标任务。一般由PLC模块完成程序流程的自动控制。通过组态软件建立控制对象仿真模型及功能界面，采用不同的通信方式实现对实验过程不同运行状态的实时监测和过程模拟。3.2.1实验过程控制要求。机械手动作模拟控制装置按照实验流程，其控制要求如下。1）上升下降移动：启动开关按下后，机械手下降，当下降到位，下限位开关闭合，机械手停止移动；当上升到位，上限位开关闭合，机械手停止移动。2）抓取放松物体：机械手抓紧物体运行，持续夹紧到位，机械手夹紧物体保持该动作；需要放松物体时，机械手松开物体运行，持续松开到位，机械手松开物体保持该动作。3）左右方向移动：向左或向右移动，当移动到位时，闭合左或者右限位开关，机械手停止左右移动。4）回归原位：运输物体结束后，机械手向上回升，当回升到位，上限位开关闭合，机械手停止回升；并且向左移动，当左移到位，左限位开关闭合，机械手停止移动。3.2.2PLC输入输出定义。PLC模块在满足实验过程控制要求的情况下，要合理使用输入输出点，尽量精简所需要的输入输出点数，这样可以降低PLC控制系统的硬件成本，还可以提高学生进行程序优化设计的能力。按照实际应用的需要，PLC模块的输入输出定义要根据其控制对象的输入输出信号来确定。机械手动作模拟控制过程中，首先需要对PLC的I/O口进行定义和分配，PLC的I/O点分配表，如表1所示。3.2.3组态仿真界面。通过组态软件建立的机械手动作模拟控制仿真控制对象的实验系统，如图2所示，进行界面设置和组态软件的脚本编写，用不同的指示灯表示机械手的不同运行状态，通过建立的机械手仿真模型模拟真实机械手上升、下降、左行、右行、夹紧、放松等动作。机械手的各种动作指令以及限位开关与PLC程序中输入输出点通过组态软件的数据变量进行关联；在实验中，通过定义的输入输出点进行PLC程序的开发调试和下载，通过仿真模型界面实时动态进行机械手的动作显示，直观生动地展现PLC程序控制下机械手的真实动作过程。
3.3实验过程
组态软件通过建立的OPC服务器，通过OPC连接方式与PLC硬件设备进行通信设置，进入组态运行系统后，选中“切换到View”选项，打开创建好的不同实验过程的仿真组态界面，进入运行系统中进行PLC的运行调试。将下载好程序的PLC模块切换到“RUN”模式，根据控制要求，按照运行流程逐步对系统进行模拟，确保系统所有功能及控制要求都符合要求。具体实验步骤如下：1）按照不同实验项目和工艺过程的控制要求定义PLC的输入输出点，分析实验项目和工艺过程的控制要求，明确控制目标。2）依据定义好的输入输出点，设计PLC模块的输入输出端子的硬件接线。3）应用PLC编程软件开发实验项目和控制过程程序，编译调试程序并下载至PLC模块中。4）建立PLC模块与上位机组态仿真实验平台的通信。通过运行实验项目的仿真界面，形象直观地观察仿真界面；通过PLC实验过程中被控仿真模型对象的运行状态和运行过程，验证PLC程序的正确性。
4结论
利用组态软件基于OPC通信模式对PLC虚拟实验平台进行了设计，开发了不同实验项目控制对象的仿真模型和实验界面，通过不同工艺过程和实验项目的仿真模型动态展示PLC实验的运行状态和工艺过程，从而使学生能够同步理解具体的实验内容和工业过程。通过该教学平台有效结合不同工程案例，丰富学生的工程实践经验，解决了现有PLC教学器材、设备等资源紧张及维护成本高的问题，大大提高了学生参与实践教学的积极性及创造性。
参考文献：
[1]余大华.PLC在电气自动化控制中的应用：评《电气自动化控制技术研究》[J].中国科技论文，2020，15(2)：260.
[2]王宝林.基于组态软件的全虚拟PLC教学系统实现及应用[J].中国教育技术装备，2014(8)：42-45.
[3]黄雪花.基于监控组态技术的电气自动化设备状态智能控制方法[J].自动化与仪器仪表，2020(8)：190-193.
[4]石秀玲，付铖.基于OPC技术的PLC全虚拟仿真系统设计[J].工业控制计算机，2019，32(3)：52-53.
[5]许岩东.基于教育信息化的高校“数控单元实训”教学创新探索[J].南方农机，2021，52(5)：148-149+165.
[6]李芹.工业机械手控制系统动作流程及其设计[J].现代制造技术与装备，2019(8)：197+199.
作者:于洪国 单位:滨州学院电气工程学院