基于組態(tài)軟件的PLC控制系統(tǒng)全軟件仿真

李啟丙

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽 618000）

0 引言

在PLC控制系統(tǒng)開發(fā)中，控制軟件現(xiàn)場調(diào)試需要與實際的物理器件連接，調(diào)試時間長、成本高，一旦控制程序有差錯，容易造成系統(tǒng)事故[1]。本文介紹一種利用組態(tài)軟件（MCGS）、OPC SERVER軟件和三菱PLC編程軟件GXWORK2，在無需PLC硬件和執(zhí)行器硬件的情況下，完全由軟件進行仿真，成本低、調(diào)試方便安全。

現(xiàn)在半實物仿真比較成熟，文獻[1－4]都是用PLC控制器實物＋組態(tài)軟件實現(xiàn)半實物仿真；文獻[5]是用FX－TRN－BEG－C三菱專用仿真軟件實現(xiàn)全軟件仿真，但此軟件用于三菱PLC實現(xiàn)仿真，無法應(yīng)用于其他的PLC進行仿真，因此局限性大；文獻[6]中對OPC技術(shù)進行了詳細(xì)闡述。

本文利用OPC SERVER技術(shù)實現(xiàn)PLC編程軟件與MCGS組態(tài)軟件進行電氣控制系統(tǒng)全軟件仿真，可以實現(xiàn)不同PLC、不同通信接口與不同組態(tài)軟件的連接仿真。通過對3層電梯電氣控制改造成PLC控制，并利用GX WORK2、MX OPC SERVER和MCGS 3個軟件進行全軟件仿真，驗證了全軟件仿真的正確性。

1 OPC SERVER實現(xiàn)原理

OPC（OLE for Process Control）是為了解決過程自動化發(fā)展中，不同硬件設(shè)備和軟件產(chǎn)品之間實現(xiàn)互聯(lián)操作[2]。

OPC的客戶－服務(wù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。任何OPC客戶端應(yīng)用程序都可以連接到任何OPC服務(wù)器，即OPC在人機界面和工業(yè)自動化領(lǐng)域提供了真正的即插即用功能。OPC服務(wù)器類型包括OPC數(shù)據(jù)訪問（DA）、OPC報警和事件（AE）以及OPC歷史數(shù)據(jù)訪問（HDA）。

圖1 基于OPC的客戶－服務(wù)結(jié)構(gòu)

PLC編程軟件GX WORK2通過MX OPC SERVER軟件與組態(tài)軟件進行數(shù)據(jù)交換。

2 MX OPC SERVER配置

MX OPC配置器是MX OPC服務(wù)軟件運行時的一個客戶端，通過其訪問I/O服務(wù)器，查看和修改設(shè)備與數(shù)據(jù)標(biāo)記的屬性。配置器中的地址空間樹控件設(shè)置服務(wù)器對象以下層次結(jié)構(gòu)的屬性和連接參數(shù)。

配置過程如下。

（1）啟動MX OPC配置程序—左側(cè)的樹形控制視圖—地址空間—右鍵新建設(shè)備出現(xiàn)MX轉(zhuǎn)換器設(shè)置界面，點擊Configure配置按鈕，在PC side I/F下拉列框中選GX simlutor2（因為GX WORK2用的是GX simlutor2仿真器）。其他創(chuàng)建按默認(rèn)即可。

（2）設(shè)備建好后點擊設(shè)備右鍵，此后需要新建數(shù)據(jù)標(biāo)簽。輸入標(biāo)簽名字、設(shè)置IO地址、讀寫權(quán)限和數(shù)據(jù)類型，這個標(biāo)簽是在組態(tài)軟件中進行訪問使用的名稱。把所用到的輸入繼電器、輸出繼電器及輔助繼電器的編號按照設(shè)計要求輸入完成，并保證服務(wù)已經(jīng)啟動。

3 PLC仿真

運行GX WORK2菜單調(diào)試中的模擬開始菜單，啟動GX SIMLUTOR2仿真即可，保證OPC SERVER已經(jīng)啟動。接下來便可啟動組態(tài)軟件MCGS對電梯控制系統(tǒng)進行調(diào)試和仿真運行;根據(jù)電梯控制流程，在MCGS組態(tài)軟件界面上操作相應(yīng)控制按鈕，實現(xiàn)對組態(tài)軟件與PLC編程軟件進行仿真運行。也可以在GX WORK軟件中模擬開關(guān)動作來實現(xiàn)對組態(tài)軟件中動畫控制。

4 組態(tài)軟件仿真模型設(shè)計

4.1 圖形界面設(shè)計

文獻[7]在組態(tài)軟件中實現(xiàn)了4層電梯模擬動畫，本文使用3層電梯進行模擬，簡化設(shè)計。本文利用MCGS 6.2組態(tài)軟件設(shè)計仿真圖形動畫，構(gòu)建3層電梯動畫模型，包括電梯曳引電機、門廳召喚按鈕與顯示元件、電梯轎廂、轎廂內(nèi)按鈕與顯示元件、啟/?？刂瓢粹o等。用虛擬電梯模型代替實際真實電梯模型進行仿真運行。

建立仿真動畫，首先需要建立“3層電梯控制系統(tǒng)”工程。在用戶窗口，新建“3層電梯控制”窗口，點擊“動態(tài)組畫”按鈕，就可以用組態(tài)軟件MCGS提供的畫圖“工具箱”，根據(jù)需要構(gòu)建圖形畫面，本系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。工作過程：鎖梯開關(guān)完成電梯的啟動與停止，當(dāng)鎖梯開關(guān)置于“ON”狀態(tài)時，電梯啟動，轎內(nèi)指令板樓層顯示器和各層門樓層顯示器分另顯示當(dāng)前轎廂所在樓層位置。假設(shè)當(dāng)前轎廂在此樓，當(dāng)在轎內(nèi)指令板中選擇3層按鈕，電機啟動正轉(zhuǎn)，轎廂上行，當(dāng)?shù)竭_3樓時停止并開門，延時一段時間（3 s）后關(guān)門，等待新的呼喚。

圖2 3層電梯組態(tài)仿真動畫

4.2 OPC設(shè)備設(shè)置

在設(shè)備窗口中點擊OPC設(shè)備，在通用OPC屬性面板中選擇OPC服務(wù)器Mltsubishi.MXOPC.6。在通道連接中設(shè)置連接對像、通道名稱、通道類型和讀寫類型。其中連接對像是在MCGS中用到的變量，通道名稱是在OPC SERVER中設(shè)置的PLC的IO變量。確定后自動在MCGS中實時數(shù)據(jù)庫中建立數(shù)據(jù)變量。

4.3 動畫連接

動畫連接是建立數(shù)據(jù)庫中變量與圖形畫面中圖形元件的關(guān)系。當(dāng)變量值改變時，圖形對象以動畫的效果表現(xiàn)出來；還可以用圖形畫面的動作控制數(shù)據(jù)庫中的變量，通過圖形對象改變數(shù)據(jù)變量的值；將靜止的圖形畫面像實際物理模型一樣仿真運行，實現(xiàn)圖形界面與物理對象PLC間的雙向控制和模擬運行[2]。

4.4 控制程序編寫

數(shù)據(jù)庫和動畫連接后，實現(xiàn)組態(tài)畫面的仿真運行，還需要設(shè)置轎廂動畫，并編寫腳本程序。MCGS腳本程序就不在此闡述。

4.5 控制程序流程

電梯控制要求如下。

（1）控制系統(tǒng)有一個鎖梯開關(guān)，鎖梯開關(guān)打開時，電梯運行。

（2）電梯轎廂到達任何樓層時，相應(yīng)樓層指示燈亮起并閃爍，電梯門能自動打開，延時3 s后，電梯門自動關(guān)閉，樓層指示燈隨之熄滅。

（3）用數(shù)碼管顯示電梯所在樓層的編號，電梯處在1、2層之間時，數(shù)碼管顯示“1”，到達2層時顯示“2”；電梯處在2、3層之間時，數(shù)碼管顯示“2”，到達3層時顯示“3”。

（4）電梯向上運行時設(shè)定牽引電機為正轉(zhuǎn)，電梯向下運行時設(shè)定牽引電機為反轉(zhuǎn)。

（5）電梯轎廂能根據(jù)各樓層的呼叫信號和轎廂內(nèi)的數(shù)字按鍵自動選擇運行方向，具體響應(yīng)呼叫信號的方案如下。

①電梯暫停在某一樓層時，按下該樓層的上行或下行方向按鈕后，電梯門自動打開。

②電梯若不是停留在呼叫者同一樓層時，要等電梯轎廂運行到后，電梯門才自動打開。

③電梯正在上行過程中，假如有更高樓層的呼叫，則先響應(yīng)更高樓層的呼叫。

④電梯正在下行過程中，假如有更低樓層的呼叫，則先響應(yīng)更低樓層的呼叫。

⑤電梯門自動關(guān)閉后，才能響應(yīng)轎廂內(nèi)的樓層數(shù)字按鈕的信號，并根據(jù)數(shù)字按鈕的信號選擇讓轎廂達到相應(yīng)的樓層。

⑥電梯轎廂達到某一樓層后，若沒有其他呼叫信號，則暫停在該樓層，只有按下“電梯復(fù)位”按鈕后，轎廂才會自動運行到第一層。

組態(tài)軟件對控制系統(tǒng)的控制和仿真，需要根據(jù)控制在PLC上編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序[8]。其控制程序流程如圖3所示。

圖3 組態(tài)軟件中電梯控制程序流程

5 結(jié)束語

組態(tài)MCGS 6.2軟件與GXWORKS2通過OPC SERV?ER軟件實現(xiàn)PLC控制系統(tǒng)全軟件仿真，即脫離PLC實物控制器，也脫離實際物理控制對象，從而克服PLC控制程序投入實際運行前，連接物理器件再調(diào)試時，成本高、調(diào)試周期長的缺陷。本文提出的全軟件仿真方法，應(yīng)用在實驗室和控制系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試過程中，無需投入較大的資金進行物理對象實現(xiàn)，就可通過界面仿真的形式實現(xiàn)對PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計。