基于OPC技术的机电仿真教学系统设计

霍览宇

（湖南机电职业技术学院，湖南长沙410151）

基于OPC技术的机电仿真教学系统设计

霍览宇

（湖南机电职业技术学院，湖南长沙410151）

机电一体化系统教学过程中，机械和控制的一体仿真能有效地帮助学生理解机电一体化技术，提升教学效果。通过应用OPC技术将PLC编程仿真、液气压仿真软件、上位机监控软件的数据打通，实现机械运动动态模拟、控制编程和液气压回路配合一体化的教学仿真，为机电类专业综合实习提供了一种经济简单的方法。

OPC技术；WINCC；仿真教学系统

1 系统设计的背景

高职机电类专业的机电综合实习课程，是一门训练学生机电综合能力的必修课程，课程综合了PLC、电机控制和液气压驱动、触摸屏等技术，教学设备相对复杂且价格较高，对授课教师的要求也很高，而且设备使用后需要经常调试，即便每次上课设备都能正常使用，要取得良好的教学效果，也要求学生具备较好的专业基础。由于目前高职教学条件的现状，这类课程很难取得预期的成效，很多教师不愿意上或者宁可上以枯燥的理论教学替代。因此如何帮助这类课程的教学实施是一个很实际的问题。针对这个问题，本文提出利用已有的专业软件设计综合实习实训虚拟仿真教学平台，既可以节省成本，便于管理，还可以训练学生技术综合能力。

对于机电仿真教学系统的研究，国内外在这个领域的应用及相关成果不少。但还是存在一些问题，如国内在这方面的研究或是基于系统建模分析动、静态、可靠性等相关参数指标，或是通过虚拟技术软件进行设计开发研究等，前者过于抽象，需要较深专业知识背景，后者需要较深的计算机软件应用技术，通用性较差，不便于用户进行二次开发。市面上也有用于专业教学的机电一体化仿真软件如国外公司有Irai的Automgen、贝加莱的Automation Studio等仿真软件，国内有宇龙机电仿真软件等等，这些仿真教学软件需单独购买，往往价格较高。

本文提出利用组态软件WINCC软件、液气压技术软件、PLC编程，设计动态化、虚拟化的教学模拟界面，通过OPC通信技术将PLC仿真器、液气压回路仿真等构建为一个虚拟机电一体化教学系统。

2 系统设计的核心技术

2.1 OPC技术

OPC全称是OLE for Process Control，是有全球所有主要自动化系统、仪器仪表及过程控制系统供货商所支持的统一的通讯接口工业标准。OPC分为经典OPC和OPC UA（Unified Architecture）统一架构。经典OPC是基于微软Windows系统的OLE/COM技术，实现不同应用程序之间的数据共享，提升了不同应用之间的互操作性[1]。OPC UA突破了平台的限制，可应用Windows以外的其他操作系统，通用性更强，安全性更好，性能更佳，配置与维护更加便捷[2]。虽然很多不同的工业软件之间是割裂的，随着OPC技术的不断推广，很多常用的工业软件都提供了OPC服务器和OPC客户端，可以利用OPC通道将实现不同的工业软件数据共享[3]。

2.2 组态监控软件技术

组态监控软件通常简称组态软件，简称SCADA软件，是一种用于自控系统监控层级的专用软件平台和开发环境。组态软件拥有丰富的硬件驱动程序，能方便地与自动化硬件相连，有功能强大的控件可以灵活组态，能很方便实现各种监控功能。目前市场上有很多优秀的组态软件，如力控、亚控、昆仑通态等国产软件和Intouch、ifix、WinCC等国外软件。

3 系统设计的思路和实现过程

第一步先验证技术的可行性，通过WinCC软件、三菱PLC编程和仿真软件GXdeveloper、三菱OPC服务器MXOPC Sever和液气压仿真软件FLuidSIM软件通过OPC接口进行数据通信测试；第二步，基于WinCC创建实训平台，包括主界面和子界面；主界面主要功能是概览所有实训工位，子界面主要实施教学演示和监控的功能；第三步，开发典型案例动态模拟界面，如分拣系统、机械手、交通灯等典型项目。

3.1 建立OPC通信

每一台电脑以WinCC软件和FLuidSIM软件作为OPC客户端，以三菱编程和仿真软件GXdeveloper加MXOPC Sever作为服务器，教师机和学生机都能通过WinCC软件和FLuidSIM的OPC客户端接口分别对本地三菱PLC和远程三菱PLC的OPC服务器进行读写。

3.2 仿真教学系统构架

系统分为演示界面和练习界面。教师机通过演示界面监控各台学生机的项目练习情况，学生机可以通过演示界面观看项目演示；练习界面则由学生自主编程设计完成教学项目要求。不管是演示界面还是练习界面，核心内容在于各教学项目的模版设计。如图1所示，设计每个项目的模版画面，然后根据学生机设置不同变量前缀，进而实现对不同学生机的数据访问，这种方式能有效地解决低效重复开发的问题。同样学生在练习项目时也可以通过更改变量前缀对项目模版进行调用，实现编程之后机电对象的模拟仿真。

图1 模版画面调用示意图

3.3 用户权限设计

系统分为登录、主界面、项目界面三个层次。教师用户拥有全部权限，能够在此基础上不断完善系统；学生用户分为二级，初级学生用户进入后根据界面提供的操作说明，只能进行通信链接查看，I/0和通信数据等信息查看等权限，高级学生用户可以拥有系统部分权限，能够帮助学生进行二次开发和系统集成等工作，以及有关系统权限设置。

3.4 数据采集与处理

本方案选用西门子优秀的组态软件WinCC作为虚拟教学系统的开发平台，利用其强大的组态能力进行仿真教学系统的开发。首先要解决的问题就是数据的采集与处理。通过WinCC建立一个以“PLCS”为名称的结构变量，包含输入变量d0和输出变量d1两个16为无符号外部过程变量“元素”和三个用于水平运动模拟的16为无符号内部变量“元素”，与后续学生机界面设计的画面模板配合使用，节省多个相同界面的重复设计工作量。在OPC通道下建立与每个学生机的新连接，设置远程OPC地址[4]。分别在每个连接下建立“PLC1”、“PLC2”…等变量，并设置为“PLCS”的数据类型，设计过程如图2所示。

图2 数据采集和处理

3.5 教学项目界面的组态设计

教学项目界面是仿真教学系统的主体，可以由教师根据教学需要不断的进行补充和开发。主要采用的技术是模版画面技术和脚本编程技术，采用模版的好处能有效提升组态效率，假设有10台学生机；设计3个虚拟教学项目，若逐个组态设计监控界面，则需要组态设计30个监控画面，这种重复工作量大，效率很低，解决方案是采用“画面窗口”和结构变量技术。因此教学项目界面设计的关键在画面模版的设计和画面模板的调用。实现如下：

（1）第一步，建立“模版画面”，设计演示监控界面，主要有输出状态指示、输入按钮测试、对象动态模拟；状态指示通过变量直接连接，输入按钮通过点击事情进行变量写入，对象动态模拟通过VBS脚本进行实现；上述所有动态设计所连接的变量全部为前述“PLCS”结构变量的不带结构变量名前缀的元素。

（2）第二步，设计一个与模版大小一致的学生界面，添加“画面窗口”控件，设置控件属性中的“画面名称”为模版画面的名称，然后复制为10个学生界面。依次修改10个学生界面中“画面窗口”控件的变量前缀分别为结构变量PLC1.、PLC2.、…。通过这项技术实现对每台学生机界面的监控，模板中动态设计所连接的变量均是前述结构变量的元素，采用VBS设计脚本程序，实现液压缸伸缩的模拟动作[4]。按上述演示界面组态方法完成3个项目组态。

3.6 虚拟教学系统的演示效果

本文设计了一个分析系统的虚拟仿真教学系统，如图3所示，虚拟教学系统能够模拟液压缸运行动态效果和监控PLC变量的变化，能远程验证学生所做的PLC液压控制程序是否正确，同时也能通过按钮对学生的控制程序远程测试。图中系统的左侧为WinCC监控界面，右上角为液压仿真软件，右下角为PLC编程仿真和OPC服务器软件。从图中可以看到WinCC良好的动态模拟，PLC的编程控制，液压软件的回路运行都通过OPC技术进行数据共享，进而实现教学演示，帮助学生直观检测编程设计结果，还可以通过项目进行学生互动（如相互测试项目等趣味活动）。

图3 虚拟教学系统运行效果图

4 结束语

随着工业4.0和中国制造2025概念的提出，全球制造业进入一个新的发展阶段，网络通信技术的发展是其中的一个关键点，设备与设备互联、应用软件直接数据相通将是必然的趋势，OPC技术作为一个全球认可的工业标准，在未来工业控制中发挥的作用将越来越凸显。利用OPC技术实现虚拟仿真教学既提供了一种教学手段，又提供了一个专业技术学习的项目，在较少的投入下，能有效地帮助学校的专业课程教学，有较好的推广价值。

[1]高德欣，张文武，杨清.利用OPC实现WINCC与监控系统的动态数据交换[J].中国海洋大学学报（自然科学版），2006，36（4）：677-680.

[2]苏延召，李艾华.基于OPC UA的自动化系统集成技术研究[J].测控技术，2011，30（3）：68-71.

[3]王杰，高昆仑，朱晓东.OPC通讯技术在可视化界面监控系统中的应用研究[J].计算机测量与控制，2012，20（1）：74-77.

[4]李二超，李炜，李战明，孙增昌.基于OPC技术的网络控制系统仿真平台设计[J].实验技术与管理，2012，29（1）：90-93.

[5]胡开明，傅志坚，葛远香.基于OPC与组态技术的自动控制实验教学仿真平台开发[J].实验技术与管理，2013，30（6）：50-53.

Design of Mechanical and Electrical Simulation Teaching System Based on OPC Technology

HUO Lan-yu
（Hunan Mechanical and Electrical Polytechnic，Changsha Hunan 410151，China）

In the teaching of electromechanical integration system，the integrated simulation of mechanical and control can effectively help the students understand the electromechanical integration technology，improve the teaching effect.In the paper，through the application of OPC technology，it realizes the data interflow among PLC programming simulation，fluid pressure simulation software，and monitoring software.It realizes the integrated teaching simulation of mechanical movement dynamic simulation，control programming and hydraulic and pneumatic circuit，and it provides an economic and simple method for mechanical and electrical engineering comprehensive practice.

OPC technology；winCC；simulation teaching system

TP315

A

1672-545X（2016）11-0217-03

2016-08-13

基于OPC技术的异构控制系统集成仿真平台研究，2015年度湖南省教育厅科学研究项目（编号：15C0489）

霍览宇（1981-），男，湖南邵阳人，工程硕士，副教授，研究方向：工业自动化技术。