液壓系統(tǒng)PLC控制可視化虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

岳大靈　魏列江　劉增光

[摘 要]為滿足我校液壓專業(yè)液壓系統(tǒng)微機(jī)控制課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，可以設(shè)計(jì)一套液壓系統(tǒng)PLC控制可視化虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)從虛擬操作臺(tái)操作到PLC梯形圖運(yùn)行、電氣元器件動(dòng)作和虛擬液壓系統(tǒng)動(dòng)作的實(shí)時(shí)全聯(lián)動(dòng)，能夠直觀、逼真地顯示真實(shí)液壓系統(tǒng)微機(jī)控制中內(nèi)部控制信號(hào)間相互作用和傳遞的全過程，解決學(xué)生學(xué)習(xí)過程中對(duì)隱藏于控制系統(tǒng)硬件內(nèi)部的控制信號(hào)感覺抽象、難以理解的問題。

[關(guān)鍵詞]液壓系統(tǒng)；可視化；PLC；虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

[中圖分類號(hào)] G642.423 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2016）09-0137-03

虛擬實(shí)驗(yàn)從20世紀(jì)80年代開始，在國(guó)外實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面逐步得到應(yīng)用和推廣。國(guó)外的一些大學(xué)目前已經(jīng)建立了較完善的虛擬實(shí)驗(yàn)室。國(guó)內(nèi)開展虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)起步較晚，高麗萍等在組態(tài)軟件MCGS的基礎(chǔ)上，研究提出了虛擬PLC系統(tǒng)的方案[1]；葉力等設(shè)計(jì)了基于GX與MCGS的全虛擬PLC控制系統(tǒng)，解決了GX與MCGS的通信問題[2]；王海濤等借助于易控組態(tài)軟件，構(gòu)建一種全虛擬PLC控制系統(tǒng)，以工業(yè)清洗機(jī)的控制系統(tǒng)為例，給出了全虛擬PLC系統(tǒng)應(yīng)用的方法[3]；任豐蘭開發(fā)了基于組態(tài)王和PLC軟件虛擬仿真的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，建立了虛擬仿真的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的三個(gè)模型，并運(yùn)用PLC和組態(tài)王軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真[4]；陳海生等開發(fā)了一種面向全虛擬PLC的遠(yuǎn)程試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬上下位機(jī)的實(shí)際PLC系統(tǒng)，并通過Web發(fā)布將平臺(tái)與各個(gè)終端機(jī)相聯(lián)實(shí)現(xiàn)資源的遠(yuǎn)程共享。[5]目前，國(guó)際和國(guó)內(nèi)各高校所開發(fā)的虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)存在以下主要問題。

1.開發(fā)的虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都是針對(duì)自己學(xué)校有關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相配套的虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通用性不強(qiáng)。

2.所開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過程，一般只包括在虛擬實(shí)驗(yàn)操作臺(tái)上操作和對(duì)應(yīng)操作下的虛擬被控對(duì)象的模擬動(dòng)作顯示，而隱藏在整個(gè)控制系統(tǒng)硬件里面的內(nèi)部控制信號(hào)之間是如何傳遞、相互影響和作用等知識(shí)內(nèi)容，在已有的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中都無法表示出來，而且這些知識(shí)內(nèi)容即使真實(shí)的液壓系統(tǒng)微機(jī)控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)時(shí)也無法直觀看到和學(xué)到。但是這些知識(shí)內(nèi)容卻是學(xué)習(xí)液壓系統(tǒng)微機(jī)控制的關(guān)鍵核心內(nèi)容，也是學(xué)生在學(xué)習(xí)液壓系統(tǒng)微機(jī)控制課程中感覺抽象、無法理解的東西。為了解決這些問題，本項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了一套液壓系統(tǒng)PLC控制可視化虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

一、虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案

本虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案由虛擬液壓系統(tǒng)模塊、虛擬操作臺(tái)模塊、虛擬PLC模塊、通訊模塊、實(shí)驗(yàn)管理模塊五部分構(gòu)成。

其中虛擬液壓系統(tǒng)模塊用來模擬各種真實(shí)的液壓系統(tǒng)在控制信號(hào)作用下的控制動(dòng)作過程；虛擬PLC模塊通過在計(jì)算機(jī)中模擬一套真實(shí)的PLC，對(duì)編寫的控制程序進(jìn)行下載和運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控；虛擬操作臺(tái)模塊是用來模擬真實(shí)控制系統(tǒng)操作臺(tái)上的各種按鈕，開關(guān)來接收實(shí)驗(yàn)操作者的輸入指令；通訊模塊用來實(shí)現(xiàn)虛擬PLC模塊、虛擬操作臺(tái)模塊和虛擬液壓系統(tǒng)模塊三者之間的信號(hào)通訊，實(shí)現(xiàn)操作者操作、PLC控制和被控液壓系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)全聯(lián)動(dòng)；實(shí)驗(yàn)管理模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)操作者登錄、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目調(diào)用、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、打印等工作。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各模塊的實(shí)現(xiàn)

本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各個(gè)模塊的功能是依靠計(jì)算機(jī)上安裝的組態(tài)王組態(tài)軟件、三菱PLC編程軟件GX Developer、三菱PLC仿真軟件GX Simulator和提供OPC服務(wù)的MX OPC Server等軟件來實(shí)現(xiàn)的。

（一）組態(tài)王軟件的應(yīng)用

1.建立虛擬液壓系統(tǒng)模塊?？赏ㄟ^Flash動(dòng)畫制作軟件或Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件建立虛擬二維或三維液壓系統(tǒng)動(dòng)作模型，在組態(tài)王軟件中根據(jù)虛擬PLC輸出控制信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作的編程調(diào)用。圖1為在Pro / E中設(shè)計(jì)的液壓振動(dòng)臺(tái)三維模型。

2.建立虛擬操作臺(tái)模塊。在組態(tài)王的畫面設(shè)計(jì)中通過調(diào)用圖庫(kù)中的各種按鈕、開關(guān)、指示燈等來搭建與真實(shí)電氣控制操作臺(tái)功能相同的各種類型虛擬操作臺(tái)。圖2為建立的虛擬操作臺(tái)的工作界面。

3.建立實(shí)驗(yàn)管理模塊。實(shí)驗(yàn)管理模塊是在組態(tài)王軟件下根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)調(diào)用相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作臺(tái)模塊和虛擬液壓系統(tǒng)模塊來模擬虛擬液壓系統(tǒng)PLC控制的實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖3是為本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理界面。

（二）GX Developer+Simulator的應(yīng)用

虛擬PLC模塊的實(shí)現(xiàn)是依靠三菱PLC軟件GX Developer和GX Simulator來實(shí)現(xiàn)的。GX Developer主要提供PLC程序的圖形化編輯平臺(tái)，在GX Developer中可完成三菱全系列PLC的編程、監(jiān)控、調(diào)試和維護(hù)工作，支持梯形圖、指令表、SFC、ST及FB編程。編寫好的PLC控制程序通過調(diào)用GX Simulator實(shí)現(xiàn)已編控制程序的下載和虛擬PLC的模擬運(yùn)行。梯形圖的編寫和虛擬PLC的模擬運(yùn)行如圖4所示。

（三）MX OPC Server的應(yīng)用

虛擬PLC模塊與組態(tài)王軟件里的虛擬液壓系統(tǒng)模塊和虛擬操作臺(tái)模塊三者之間不能直接進(jìn)行信號(hào)傳輸，它們之間通訊由MX OPC Server來完成。

1.MX OPC Server與虛擬PLC模塊通訊。在MX OPC Configurator中通過建立虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通訊數(shù)據(jù)庫(kù)來連接虛擬的PLC以及對(duì)虛擬PLC的輸入、輸出變量進(jìn)行定義。在MX OPC Configurator中連接虛擬PLC（名稱為XuNiPLC）及輸入、輸出變量的定義如圖5所示。

2.MX OPC Server與組態(tài)王的通訊。首先在組態(tài)王軟件的OPC服務(wù)器中選擇由MX OPC Server提供的Mitsubishi.MXOPC.1OPC服務(wù)器；其次在組態(tài)王軟件數(shù)據(jù)詞典中建立相應(yīng)的變量并與0PC服務(wù)器中虛擬的PLC對(duì)應(yīng)的變量進(jìn)行連接，同時(shí)可對(duì)變量的名稱、類型、連接設(shè)備、采集頻率以及寄存器和讀寫屬性等進(jìn)行設(shè)置。建立變量X6及OPC連接如圖6所示。

三、液壓系統(tǒng)PLC控制虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

機(jī)床工作臺(tái)液壓系統(tǒng)是比較典型的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，幾乎所有的液壓傳動(dòng)教材都對(duì)其工作原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹。因而機(jī)床工作臺(tái)液壓系統(tǒng)的PLC控制是液壓專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)液壓系統(tǒng)微機(jī)控制課程最恰當(dāng)、最適宜的液壓系統(tǒng)PLC控制應(yīng)用實(shí)例。

（一）機(jī)床工作臺(tái)液壓系統(tǒng)PLC控制原理

根據(jù)其液壓工作原理和控制過程要求，對(duì)該液壓系統(tǒng)的PLC控制進(jìn)行PLC選型和端子分配，共需要8個(gè)輸入點(diǎn)，6個(gè)輸出點(diǎn)，選用三菱FX2N系列PLC可以滿足上述需求，電路外部接線圖如圖7所示。具體控制過程如下：按下啟動(dòng)按鈕SB3，電機(jī)帶動(dòng)液壓泵啟動(dòng)；旋轉(zhuǎn)開關(guān)QS2轉(zhuǎn)到加壓位置，電磁溢流閥線圈得電，液壓泵加載給工作臺(tái)供油；當(dāng)QS1處于手動(dòng)模式時(shí)按下左移按鈕SB1，電磁換向閥線圈YA0通電，換向閥給液壓缸右腔供油，液壓缸帶動(dòng)工作臺(tái)左移，當(dāng)工作臺(tái)左移碰觸到行程開關(guān)SQ1后線圈YA0斷電工作臺(tái)停止左移；按下右移按鈕SB2，電磁換向閥線圈YA1通電，換向閥給液壓缸左腔供油，液壓缸帶動(dòng)工作臺(tái)右移，當(dāng)工作臺(tái)右移碰觸到行程開關(guān)SQ2后YA1斷電工作臺(tái)停止右移；當(dāng)QS1切換到自動(dòng)模式時(shí)工作臺(tái)自動(dòng)執(zhí)行上述左移、右移的動(dòng)作；按下停止按鈕SB4時(shí)所有電磁鐵失電，油泵卸荷，工作臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)。

（二）機(jī)床工作臺(tái)液壓系統(tǒng)PLC控制虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行

1.在組態(tài)王軟件下依照機(jī)床工作臺(tái)液壓原理圖和PLC控制接線圖建立虛擬機(jī)床工作臺(tái)液壓系統(tǒng)和虛擬操作臺(tái)，并用信號(hào)線將虛擬液壓系統(tǒng)及虛擬操作臺(tái)上的接線端子與PLC圖片上的X、Y對(duì)應(yīng)端子相連；把虛擬機(jī)床工作臺(tái)液壓系統(tǒng)和虛擬操作臺(tái)的變量與組態(tài)王數(shù)據(jù)詞典中已定義的變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)。在組態(tài)王中建立的機(jī)床工作臺(tái)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖8所示。

2.確保在OPC Server中建立的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通訊數(shù)據(jù)庫(kù)處于活動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)運(yùn)行GX Developer和組態(tài)王對(duì)機(jī)床工作臺(tái)液壓系統(tǒng)PLC控制過程進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。下面以手動(dòng)左移為例，介紹控制信號(hào)的整個(gè)傳輸過程。當(dāng)按下左移按鈕時(shí)，控制信號(hào)流入PLC的X2端口；同時(shí)在GX Developer梯形圖中X2接通，線圈Y0得電，PLC的Y0端口內(nèi)部繼電器閉合，控制信號(hào)從PLC的Y0端口流向電磁換向閥右電磁鐵YA0，電磁鐵得電給油缸右腔供油，工作臺(tái)左移。此時(shí)組態(tài)王中PLC的端口X2、X4、X5、Y0、Y1、Y2、Y4處于高電平狀態(tài)，相應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮，同時(shí)連接信號(hào)線變成紅色表示有控制信號(hào)流過。操作臺(tái)、液壓系統(tǒng)和PLC之間的控制信號(hào)傳輸見圖9所示，PLC內(nèi)部梯形圖概念電流流向如圖10所示。

四、總結(jié)

本文將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)應(yīng)用于液壓系統(tǒng)微機(jī)控制課程的可視化虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，其主要特色如下。

1.利用組態(tài)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和二、三維建模和動(dòng)畫制作技術(shù)，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)PLC控制從操作臺(tái)操作到被控液壓系統(tǒng)響應(yīng)的整個(gè)控制動(dòng)作全過程的可視化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)操作、梯形圖運(yùn)行、虛擬液壓系統(tǒng)動(dòng)作之間的實(shí)時(shí)全聯(lián)動(dòng)，將隱藏在整個(gè)控制系統(tǒng)硬件內(nèi)部的控制信號(hào)相互作用和傳遞的全過程直觀、形象、逼真、生動(dòng)地顯示出來，達(dá)到較好的教學(xué)試驗(yàn)與應(yīng)用效果，同時(shí)加深學(xué)生對(duì)理論教學(xué)的理解。

2.虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置上，既考慮我校液壓學(xué)生畢業(yè)就業(yè)領(lǐng)域及非電類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)PLC控制的特點(diǎn)，又兼顧真實(shí)液壓系統(tǒng)微機(jī)控制實(shí)際工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)開發(fā)流程，非常有針對(duì)性和實(shí)用性。

3.利用本虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，不僅可以開展虛擬被控對(duì)象（虛）+虛擬PLC（虛）模式實(shí)驗(yàn)，也可開展虛擬被控對(duì)象（虛）+實(shí)物PLC（實(shí)）模式實(shí)驗(yàn)，用PLC實(shí)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證虛擬實(shí)驗(yàn)的正確性。

4.本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有開放性和極好的擴(kuò)展性，后續(xù)可開發(fā)出其他被控系統(tǒng)（如水泵系統(tǒng)、風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)等）微機(jī)控制虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可滿足我校其他專業(yè)學(xué)生控制類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[2] 葉力.基于GX與MCGS的全虛擬PLC控制系統(tǒng)研究[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2007（12）：39-41.

[3] 王海濤，鄭萍.基于易控組態(tài)軟件全虛擬PLC的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2010（25）：83-85.

[4] 任豐蘭.基于組態(tài)王和PLC的虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2012（3）：43-47.

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[責(zé)任編輯：陳 明]