基于组态软件的PLC虚拟对象的应用研究＊

王亚芳，吴 晓，郭晓丽，陈瑞祥

（南通大学电气工程学院，江苏 南通 226019）

在南通大学自动化和电气类专业教学中，“电气控制技术”“PLC原理及其应用”课程一直作为集成创新人才培养体系中的主干课程[1]。学生不仅要学会其基本原理和基本概念，也要培养自身的实践操作能力，掌握在工业现场中对PLC系统的设计技巧。因此，PLC课程的实验教学环节除了使学生对课程中一些知识点有更深一步的理解外，更重要的是实验目的、实验内容、实验步骤的设计必须遵循集成创新人才的培养规律，使学生掌握一定的实际操作、实际工程方法手段[2]。

目前，PLC课程的实验教学还是以程序的编程训练为主，学生在确认PLC系统接线的基础上，重心就是编写和输入控制程序并调试、运行，观察控制对象的动作是否与要求的控制规律一致；实践环节如课程设计或毕业课题着重于PLC控制系统的设计训练。因此，PLC实验设备需要选择对编程训练具有典型意义的控制对象。由于这些控制对象通常为实际工业对象，结构复杂，代价高，维护困难，有的还有一定的危险性，因而近年来PLC实验中采用虚拟仿真对象已成为一个趋势[3]。

组态软件是数据采集和过程控制的常用软件，是控制系统监控层的软件平台和开发环境[4]。本文以组态软件为开发工具，全真模拟PLC的控制对象，开发了可用于PLC教学和科研的虚拟对象。将开发出的虚拟对象用于南通大学的PLC实验教学中，不仅丰富了教学内容，更增强了实验教学效果，具有一定的应用价值和现实意义[5]。

1 虚拟对象的系统结构

1.1 硬件结构图

以PLC实验室的现有条件为基础，硬件结构为三菱FX2N-48MR型PLC+研华PCI1756板卡+搭载Win7 64位操作系统的计算机，如图1所示。

图1 虚拟对象的硬件结构图

在计算机中使用多路数字I/O卡（PCI1765），接口卡驱动程序把接口卡硬件和虚拟对象软件连接起来，计算机中的虚拟对象软件驱动该卡的I/O点，将对控制对象的控制信号以及反映控制要求和控制情况的输出信号表现、传递出来；PLC的输入、输出信号通过与这块卡的I/O点相物理连接，获得对象的控制要求和控制情况并对对象发出控制信号。这样就实现了PLC与“虚拟对象”之间的信号互动，使其真正成为一个可控的对象。从这个意义上讲，虚拟对象软件、带有虚拟对象软件的计算机以及该I/O卡就组成了一个可以被PLC控制的“虚拟对象”。

1.2 软件结构图

从系统的结构层次来划分，虚拟对象由3部分组成：虚拟对象界面部分、后台控制软件部分以及I/O卡的设备驱动软件部分。其软件结构图如图2所示。

图2 虚拟对象的软件结构图

虚拟对象界面部分，形成虚拟对象软件的工作界面，其支撑软件为组态软件的画面构成构件；实验状态下，I/O卡的设备驱动软件实现计算机中的虚拟对象软件对该卡I/O卡的驱动，对控制对象的控制信号以及反映控制要求和控制情况的输出信号表现、传递出来。其支撑软件为组态软件的设备驱动构件；实验状态的后台控制软件，实现PLC控制程序经I/O卡驱动下，对虚拟对象画面中各虚拟设备、物体的控制，实现实验PLC程序对虚拟对象的控制、操作。其支撑软件为组态软件的控制策略构件。演示状态下，仅由后台控制软件控制界面上的虚拟设备、物体的运动或变化，其支撑软件也为组态软件的控制策略构件。

2 虚拟对象的设计举例

依据上述方法，开发了门架式机械手、电梯、洗衣机、十字路口交通灯等十几个虚拟对象。这里以洗衣机为例，介绍该虚拟仿真对象的开发过程。

2.1 控制要求

初始状态下，按下电源键，系统默认处于自动运行模式下的待机状态。自动运行时，工序图如图3所示。

图3 洗衣机自动模式下的工序图

初始状态下，按下电源键，再按下自动/手动切换按钮，系统处于手动运行模式下的待机状态。手动运行时，工序图如图4所示。

图4 洗衣机手动模式下的工序图

2.2 I/O分配

结合控制要求，对洗衣机的输入/输出进行分配，如表1所示。

表1 洗衣机虚拟对象的I/O分配表

2.3 洗衣机虚拟对象的设计

监控界面设计：结合洗衣机虚拟对象的控制要求，监控界面包括操作面板、内筒、波盘、水管4个部分，具体如图5所示。

图5 洗衣机虚拟对象整体监控界面

数据词典设计：洗衣机虚拟对象需要用到的变量类型主要包括内存整型、内存离散和I/O离散3种。分别对用于演示和实验画面的变量进行定义。

动画连接设计：在完成界面设计和数据词典设计后，必须进行合理的动画连接设置才能实现需要的动画效果。在洗衣机虚拟对象中，需要进行动画连接的对象有按钮、指示灯、内筒、波盘、管道等。

命令语言设计：洗衣机虚拟对象的演示和实验画面均需进行命令语言的设计。

PLC程序设计：PLC程序重在检验虚拟对象实验状态下是否可以按照控制要求进行正确运行。

2.4 洗衣机虚拟对象的调试

2.4.1 演示画面的调试

利用组态软件完成演示画面的设计后，需要进行画面的调试以检验控制过程及结果正确与否，其调试流程如图6所示。

图6 洗衣机虚拟对象演示画面调试流程图

演示画面的调试主要是对画面中的动画连接的调试以及所编写的命令语言的调试。在进行了一个或多个图形对象的动画连接后，需要进行一定的命令语言的编写，以验证能否通过命令语言来进行图形的动画控制。通过逐一调试，实现演示画面中的各种演示效果。

2.4.2 实验画面的调试

利用组态软件设计完成实验画面后，需要与PLC进行联调以检验其能否满足实验控制要求，其调试流程如图7所示。

图7 洗衣机虚拟对象实验画面调试流程图

实验画面的调试主要是检查组态画面能否根据PLC输入输出点的变化而展现相应的效果。在进行了图形对象的动画连接和命令语言的编写后，进入到运行系统，使PLC运行，以验证实验画面能否和PLC程序配合使用。

2.5 洗衣机虚拟对象的整体运行

借助组态王软件，完成了洗衣机虚拟对象的演示功能，可以在单机模式下进行洗衣机控制要求中所有功能的演示；完成了实验画面的调试，学生可编写PLC程序进行实验控制，达到了PLC实验课程的教学需求。

3 结语

本文将组态软件应用到实际的PLC实验教学中，开发出的洗衣机虚拟对象不仅可以真实直观地展现实际被控对象的工作过程，又可以提升和训练学生的PLC编程能力和动手能力。

除此之外，还实现了门架式机械手、电梯等多种被控对象工作过程的实时控制和图像监控，有效地解决了PLC实验教学中设备昂贵、维护成本高、场地空间有限等问题，为这些对象在工业生产中的智能化控制提供了很好的参考价值。