基于OPC和组态技术的虚拟PLC监控系统研究

靳 雷，李秋红

（河南质量工程职业学院，河南平顶山467001）

1 引言

近年来，随着科学技术的快速发展，PLC（可编程控制器）作为一种专门应用于工业环境的自动化设备，广泛应用于工业生产自动化的许多领域。在使用PLC 对各种自动化生产线及制造装备进行控制时，对各类故障必须要做出实时、正确的反应。所设计的PLC 程序如果没有经过检验而直接运用到实际生产之中，是具有风险性甚至危险性的。由于受环境和条件等因素的限制，在缺乏PLC以及控制对象等实物的情况下，结合PLC 编程软件，利用上位机组态软件全真模拟，既可以弥补上述不足，又可以采用动画形式直观地演示PLC 控制对象的工作过程［1－2］。

基于此，采用目前工业通信领域广泛应用的OPC 技术，利用组态王和三菱编程软件GX Developer 软件，开发了一个虚拟PLC 监控系统仿真平台，克服了单独的程序仿真或是单独的组态软件仿真带来的局限之处，极大地方便了程序的开发和调试。

2 全虚拟监控系统平台的实现

2.1 软件构成

GX Developer 是三菱PLC 的编程软件，适用于三菱全系列可编程控制器的编程和调试。

GX Simulator 是三菱PLC 程序仿真软件，具有离线调试功能，包括软元件的监视测试，外部机器的I／O 模拟操作等。

三菱OPC 服务软件（MX OPC Server），适用于三菱全系列PLC 和组态软件的连接。OPC 全称OLE for Process Contro1，是OPC 基金会组织倡导的工业控制和生产自动化领域中的硬件和软件之间的标准接口。采用OPC 标准，不同的客户软件都将自己的数据暴露在统一的规范下，使得数据交换透明简易，从而避免了繁杂的专项驱动软件的开发、升级维护等工作［3］。

组态王软件是一种通用的国产工业监控软件，它具有图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，软件结构由工程管理器、工程浏览器及运行系统三部分构成。

2.2 总体方案设计

采用三菱软件GX Developer 作为PLC 编程平台，利用GX Simulator 作为一个虚拟PLC 控制器，将编制好的程序在其中进行仿真；在组态王中进行PLC 控制对象的组态，作为虚拟的控制对象；虚拟的PLC 控制器与虚拟的控制对象之间通过OPC建立通信连接，进行高效可靠的数据交换；在监控界面中完成控制过程的展示［4－5］。监控系统仿真平台结构框图如图1所示。

图1 监控系统仿真平台结构框图

2.3 仿真实验平台构建

（1）安装三菱编程软件GX Developer 8.86，再安装三菱仿真软件GX Simulator v6。仿真软件相当于一个插件被集成到编程软件中，这时“梯形图逻辑测试启动”为白色，表示GX Simulator 安装成功［6］，用户可以在GX Developer 中进行三菱系列PLC 程序的编制，同时可以进行GX Simulator 控制程序仿真测试。

（2）安装三菱OPC 服务软件MX OPC Server4.20。点击“开始程序MELSOFT ApplicationMX OPC Server4.20”打开MX Configurator；单击“file／new”，弹出新建Access 文件窗口，输入文件名，保存；点击“Address／New Device”，弹出新建设备窗口，在其通讯设置中点击“PC side I／F”按钮，选择GX Simulator（仿真软件）；“Station type”选择“Host station”，“CPU type”选择与编程软件中程序相一致的PLC类型，点击“finish”完成新建设备的通讯设置，如图2所示。在“Address Space”进行设备连接，新建“New Group”或“New Data Tag”，也可将建好的数据添加入其中某一数据组，要保证I／O 地址与编程软件中的地址一致。完毕后可以进行通讯测试，点击测试按钮，在仿真软件GX Simulator 运行的前提下，每一个变量通讯质量如显示“Good”即为正常，如显示“Bad”则为通讯中断。

（3）安装“Kingview6.55”，组态王中支持多OPC服务器。在使用OPC 服务器之前，需要先在组态王中建立OPC 服务器设备［7］。启动组态王，新建工程，双击当前工程，在组态王工程浏览器的“设备”项目中选中“OPC 服务器”，工程浏览器的右侧区域显示当前工程中定义的OPC 设备和“新建OPC”图标。双击“新建”图标，组态王开始自动搜索当前的计算机系统中已经安装的所有OPC 服务器，然后弹出“查看OPC 服务器”对话框，选择“Mitsubish.MXOPC.4”，点击“确定”按钮，建立OPC 连接，如图3所示。在“数据词典中”新建“I／O 变量”条目下，输入变量名，选择变量类型，“连接设备”选择“Mitsubish.MXOPC.4”，寄存器通过下拉菜单选择相应值，读写属性选择“读写”。新建工程画面，并为画面元件建立相应的变量连接。

图2 MX OPC Server 通讯设置画面

图3 组态王中OPC 服务器链接画面

（4）运行三菱编程软件GX Developer、仿真软件GX Simulator 和kingview6.52，将虚拟设备的控制信号传给PLC，因为OPC 软件中的变量选择“读写”模式，可以通过组态王控制仿真软件中的程序运行，同时也可通过GX Simulator 中的虚拟元件来控制。观察虚拟设备的运行情况是否符合要求，对具体问题展开分析，以便对控制程序或组态软件的命令语言的相关设置进行修改，进而达到控制要求。

3 仿真平台应用实例

以液体混合系统控制为例进行仿真实验。

3.1 控制要求

混合装置用来将两种液体进行混合。具体控制要求如下：

（1）装置投入运行前，要将液体A、B 的阀门关闭，混合液的阀门打开30s，将容器内的液体排空后关闭。

（2）按下启动按钮SB1，液体A 的阀门打开，液体A 流入容器；当液体A 的液面达到L2 时，关闭液体A 的阀门，打开液体B 的阀门。当液面达到L1 时，液体B 的阀门关闭，搅拌器则开始运转，将液体A 和B 的混合液体进行搅匀。搅拌电机运转60s 后停止，打开混合液体的阀门，将混合液体排出。当容器内的液面下降到L3 时，再经5s，混合液的阀门关闭。

（3）按下停止按钮SB2 后，回到开机初始化状态，等待按下启动按钮，开始下一个周期的操作。

3.2 I／O 分配及编程元件编号

控制系统输入、输出点分配表如表1所示。

表1 I／O 分配表

3.3 控制系统设计与调试

（1）打开GX Developer 编程软件，创建控制工程。CPU 类型选择FX2N（c），在写入模式下进行控制程序的编制，完毕后进行程序的变换和程序检查，通过“梯形图逻辑测试启动”下载到GX Simulator 中进行程序的仿真测试。

（2）在MX OPC Server 中建立与控制程序地址相对应的变量。

（3）在Kingview6.55 新建系统工程的设置。新建名叫“液体混合系统”，建立OPC 通讯，构建变量数据库，进行组态监控界面（主画面、报警、报表、实时曲线、历史曲线）动态效果设计。

（4）对整个控制系统进行联合仿真调试，应把编程软件、OPC 服务软件、组态王软件均置于仿真运行测试状态，以便对系统全面实验。这时既可以通过改变GX Simulator 中的虚拟元件状态来控制整个系统，也可以用组态王中的给定信号来控制。在本例中，程序编制的时候把反应器液位上限设为90L，下限设为l0L，中限设为50L。OPC 数据通讯监视界面和上位机监视画面分别如图4、图5所示。从图中不难看出数据通讯正常，变量状态显示一致，液位处于70L 位置，下限液位、中限液位的位置传感器显示绿色表示开关动作，与之相对应的液体A 阀门、混合阀门关闭，液体B 阀门打开，实现了系统的控制要求。

图4 OPC 数据通讯监视画面

图5 上位机监视画面

4 结束语

采用PLC 编程、仿真软件和组态王软件构建的监控系统仿真平台，以OPC Sever 作为PLC 仿真软件与组态王软件数据通信的桥梁，在无PLC 硬件和控制对象等实物的条件下，以虚拟的被控实验对象来模拟各种真实的被控对象，仅仅利用一台PC 机，就可实现对各种复杂的控制系统进行实时监控仿真。利用该平台，可以解决一些高校普遍存在试验设备不足的问题。另外，对实际控制工程系统投入运行前，工程技术人员也可以利用该平台进行系统调试，以便及时发现问题和解决问题，使系统风险大大降低。

［1］卢学英，李 莹.PLC 实验教学改革的研究［J］.实验室科学，2007，（3）：35－36.

［2］叶 力，郑 萍.基于GX 与MCGS 的全虚拟PLC 控制系统研究［J］.中国现代教育装备，2007，58（12）：39－41.

［3］OPC 服务器软件开发及在DCS 中的应用［J］.化工自动化及仪表，2007，34（1）：46－48.

［4］陈海生，郑 萍.组态软件与三菱虚拟PLC 通信构件的研究与实现［J］.自动化仪表，2006，33（12）：21－24.

［5］袁云龙.基于组态软件的PLC 控制系统仿真实现［J］.自动化仪表，2006，27（5）：57－58，61.

［6］GXDeveloperVer.8 ／SimulatorVer.6 操作手册［Z］.Mitsubishi，2006.

［7］组态王6.55 使用手册［Z］.北京亚科技发展有限公司，2011.