基于組態(tài)軟件的虛擬PLC實(shí)驗(yàn)室建設(shè)思路

張玉艷　韓希昌　于宏濤

摘 要：利用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)PLC的控制對(duì)象，模擬其工作過(guò)程，同時(shí)借助于組臺(tái)軟件的Web發(fā)布功能，構(gòu)建一個(gè)基于WEB環(huán)境下的虛擬PLC實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生搭建一個(gè)類似于實(shí)際實(shí)驗(yàn)的虛擬環(huán)境。在該環(huán)境中學(xué)生可以遠(yuǎn)程對(duì)指定實(shí)驗(yàn)進(jìn)行搭建和操作，可以觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果。該系統(tǒng)具有成本低、免維護(hù)、靈活多樣、形象直觀等優(yōu)點(diǎn)，很好地解決了傳統(tǒng)開(kāi)設(shè)PLC實(shí)驗(yàn)方法遇到的各種困難。

關(guān)鍵詞：PLC； 組態(tài)軟件； 虛擬實(shí)驗(yàn)

【中圖分類號(hào)】TP277

傳統(tǒng)可編程控制器（PLC）實(shí)驗(yàn)采用PLC設(shè)備和硬件電路搭建的控制對(duì)象[1-2]，其缺陷是占用大量實(shí)驗(yàn)室空間、硬件設(shè)備價(jià)格昂貴、很難進(jìn)行修改和升級(jí)換代、硬件設(shè)備維護(hù)困難等。所以，如何進(jìn)行新型PLC實(shí)驗(yàn)室的改造已成為迫在眉睫的問(wèn)題，而工業(yè)組態(tài)控制技術(shù)能較好的解決這一問(wèn)題。組態(tài)軟件使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具，能夠支持各種工控設(shè)備和常見(jiàn)的通訊協(xié)議，同時(shí)組態(tài)軟件自身還提供基于Web遠(yuǎn)程訪問(wèn)的功能[3-4]。

因此，將PLC與組態(tài)軟件的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)， 建立組態(tài)虛擬PLC實(shí)驗(yàn)室，解決了自動(dòng)化專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、實(shí)訓(xùn)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)所面臨的實(shí)際問(wèn)題，也為教學(xué)和科研節(jié)省大量經(jīng)費(fèi)，縮短開(kāi)發(fā)周期，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益，是實(shí)踐教學(xué)模式的革新。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)原則

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)應(yīng)充分體現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則。在功能上應(yīng)體現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

綜合化：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)緊密結(jié)合工業(yè)系統(tǒng)實(shí)際，形成完善體系，功能上綜合化。

擬實(shí)性：所有測(cè)控對(duì)象及參數(shù)均為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備和參數(shù)或?qū)λ麄冞M(jìn)行小型化處理而得

到的。

模塊化：各類測(cè)控對(duì)象和參數(shù)均相對(duì)獨(dú)立構(gòu)成模塊，具有相對(duì)獨(dú)立且典型的功能，易于組合和拼裝，滿足不同專業(yè)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)需要。

開(kāi)放性：核心軟件平臺(tái)具有開(kāi)放的應(yīng)用軟件接口，滿足用戶的二次開(kāi)發(fā)需要。

擴(kuò)展性：用戶根據(jù)需要設(shè)計(jì)出適合自身需要的擴(kuò)展模塊，集成到系統(tǒng)中。

網(wǎng)絡(luò)化：所有測(cè)控對(duì)象既可以獨(dú)立實(shí)驗(yàn)又可以成為局域網(wǎng)中其他PC的共享設(shè)備，組成一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室。

二、基于組態(tài)軟件的虛擬PLC實(shí)驗(yàn)室建設(shè)思路

虛擬PLC實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)以組態(tài)軟件做為平臺(tái)，開(kāi)發(fā)控制實(shí)驗(yàn)的仿真對(duì)象，內(nèi)嵌PLC編程軟件實(shí)現(xiàn)控制程序編寫，以PLC做為控制設(shè)備，借助于組態(tài)軟件自帶的Web Server發(fā)布到Internet，遠(yuǎn)程客戶端實(shí)現(xiàn)登錄功能。組態(tài)軟件通過(guò)以太網(wǎng)與PLC之間進(jìn)行通信，并監(jiān)控PLC所有存儲(chǔ)器、控制器及I/O接口的狀態(tài)，以變量值的形式傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，供服務(wù)器使用、處理。

三、基于組態(tài)軟件的虛擬PLC實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案

虛擬實(shí)驗(yàn)室的基本組成架構(gòu)如圖2所示。主要包括四部分：界面組態(tài)、數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)、通訊設(shè)置和遠(yuǎn)程登錄。

1. 圖形界面的開(kāi)發(fā)

圖形界面是虛擬實(shí)驗(yàn)的具體體現(xiàn)。組態(tài)軟件作為用戶可定制功能的軟件平臺(tái)工具，可虛擬出多種控制對(duì)象。虛擬對(duì)象整體規(guī)劃時(shí)應(yīng)盡可能把實(shí)際工控設(shè)備的特征和它的工作場(chǎng)景形象地反映出來(lái)，同時(shí)也要把輸入控制面板反映出來(lái)，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬對(duì)象的控制。圖形界面開(kāi)發(fā)主要包括圖形繪制、數(shù)據(jù)變量的確定、動(dòng)畫連接、命令語(yǔ)言編寫及虛擬對(duì)象調(diào)試。

2.數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)是虛擬實(shí)驗(yàn)室的核心部分。為了實(shí)現(xiàn)開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)效果，做數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)的時(shí)候，組態(tài)的點(diǎn)具有共享性，避免實(shí)驗(yàn)對(duì)象和外部控制設(shè)備具有關(guān)聯(lián)性。

數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)來(lái)源主要有三種，一種來(lái)自PLC，即數(shù)據(jù)庫(kù)變量，把實(shí)際PLC的I/O點(diǎn)和PLC內(nèi)部寄存器的變化狀況聯(lián)系起來(lái)，為虛擬設(shè)備的動(dòng)畫連接打下基礎(chǔ)，如設(shè)備的啟?？刂?、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的顯示；一種是內(nèi)存變量，來(lái)自仿真儀表，主要用于管理功能的實(shí)現(xiàn)，如成績(jī)?cè)u(píng)定、錯(cuò)誤提示等；還有一種是DDE變量，來(lái)自EXCEL文件，主要用于控制系統(tǒng)中所需模擬量的仿真，如水箱液位、管道壓力、流量、電機(jī)電流、溫度等仿真。

3.通訊設(shè)置

本系統(tǒng)中組態(tài)軟件與PLC之間的通訊采用TCP/IP協(xié)議。組態(tài)軟件和Excel之間采用DDE方式通訊。

4.遠(yuǎn)程登錄設(shè)置

利用組態(tài)軟件支持的ActiveX技術(shù)，將PLC仿真實(shí)驗(yàn)通過(guò)WEB發(fā)布到網(wǎng)上，利用Internet實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作及控制。實(shí)現(xiàn)方法是利用嵌在瀏覽器上的ActiveX組件作為客戶端操作界面。當(dāng)用瀏覽器訪問(wèn)包含ActiveX組件的Web頁(yè)面時(shí)，該組件自動(dòng)下載到客戶端，客戶端用該組件通過(guò)HTTP協(xié)議向服務(wù)器端傳遞控制信息和數(shù)據(jù)信息，服務(wù)器端利用ASP接收信息，利用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)響應(yīng)請(qǐng)求，并把結(jié)果返回到客戶的ActiveX組件中，ActiveX可以在客戶端運(yùn)行顯示動(dòng)畫。

四、結(jié)論

虛擬實(shí)驗(yàn)室是實(shí)驗(yàn)室本身的一種革新，不管從實(shí)驗(yàn)效果上來(lái)看、實(shí)驗(yàn)成本節(jié)省上來(lái)看都有著較明顯的優(yōu)勢(shì)，這一全新的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ奖貙⑼苿?dòng)高校教學(xué)的發(fā)展。本文以組態(tài)軟件做為平臺(tái)，以PLC做為控制設(shè)備，提出了基于Web 訪問(wèn)的虛擬PLC實(shí)驗(yàn)室建設(shè)思路。該實(shí)驗(yàn)室具體如下優(yōu)點(diǎn)：能直接從界面中觀察出實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確與否，這給學(xué)生的編程和調(diào)試帶來(lái)很大方便；結(jié)合先進(jìn)的科技手段， 界面導(dǎo)航的直觀性、人機(jī)交互界面良好，能夠提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣；虛擬實(shí)驗(yàn)室能給任何實(shí)驗(yàn)者在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)廣泛的提供實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，只要實(shí)驗(yàn)者能連接上互聯(lián)網(wǎng)，他就能使用虛擬實(shí)驗(yàn)室完成需要的實(shí)驗(yàn)，具有良好的開(kāi)放性。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：遼寧省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃立項(xiàng)課題（JG14DB292，JG15DB289）

作者簡(jiǎn)介：張玉艷（1977-）， 女（蒙古族），內(nèi)蒙赤峰人，副教授，博士，主要從事虛擬實(shí)驗(yàn)室研究。endprint