三菱FX系列PLC仿真教学系统的设计及通讯构建

王宝林

（肇庆市工程技术学校，广东 肇庆 526070）

本文介绍有关三菱系列PLC仿真教学系统构建，仿真系统组成如图1所示，分为3个部分，第一部分是基于组态软件开发的并结合实训设备厂商设备的虚实结合的仿真系统，适合在校学生的教学；第二部分是在前面虚实结合的仿真实训系统基础上，利用PLC仿真器和虚拟串口结合，使之成为完全脱离硬件的全虚拟系统，适合线上教学过程中没有硬件系统的学员编程学习；第三部分是通过构建FactoryⅠO虚拟工厂与三菱系列PLC的通讯，构建三菱系列虚拟工厂PLC实训系统，组态软件此时作为虚拟工厂实训系统的人机界面，拓展虚拟工厂实训系统的功能，内容适合高职学生学习以及做毕业设计。仿真场景的运行。在仿真系统中完成编程调试后，也可以通过PLC的ⅠO端口直接连接设备厂商真实被控对象，进行PLC外围电路安装调试练习。图2是为YL-235设备开发的实训场景，用仿真实训场景可以完成整个YL-235设备程序初步调试工作，连接真实YL-235设备时，只需微调程序即可，实训设备多数时间只用于接线安装练习，这样可以较好地解决工位不足的问题。在连接真实外围设备运行时，组态画面可以实现真实被控模型同步运行，可以起到监视以及输入控制的作用，这种虚实结合的仿真教学系统非常适合在校生PLC课程的学习。

图1 仿真系统通讯方式及组成框图

图2 虚实结合的YL-235分拣系统

1 基于KingView组态软件的虚实结合PLC仿真教学系统

组态软件KingView具有成熟的ⅠO接口设备驱动，可以与各类型PLC进行通讯，PLC内部各种继电器的状态可以与组态软件数据库中数据的链接，这些数据又与界面上显示的图形对象有关联，利用组态软件三维虚拟空间进行设计，可以模拟出多种PLC控制场景[1]。本例中，将近40个PLC控制场景集合在KingView的同一组态工程，通过实训项目选择菜单页面方便地切换各个实训场景，使用非常方便。实训项目根据实训室真实的被控对象开发，如抢答器、机械手、交通灯、四层电梯、YL-235分拣机构、立体仓库等，学生完成编程后，下载至PLC，由真实PLC控制

2 基于KingView组态软件的仿真教学系统全虚拟方式的实现

在开展线上教学时，线上学习的学员们常会因为没有PLC硬件设备，没办法跟着教师进行PLC课程编程设计学习，所以下面介绍完全脱离硬件的全虚拟仿真系统实现。

脱离PLC硬件，程序的运行需要仿真器，三菱GX-works2自带的仿真器有很难跟第三方软件通讯的缺点，本例中采用了凌—PLC模拟器来实现PLC模拟运行。凌—PLC模拟器是一款针对三菱FX系列PLC设备制作的一款免费的模拟软件。凌—PLC模拟器要求系统中需要安装Microsoft.Framework net 4.6.2及以上版本运行库，另外需安装虚拟串口软件，本例中安装了VSPD虚拟串口软件。该模拟器能够模拟PLC设备的运行控制操作，PLC模拟器与PLC实体PLC实现代码完全一致。另外具有强大的Modbus通信功能，高速脉冲模拟功能，模拟量控制仿真功能。程序运行过程中可非常方便地对软元件监视、置位、数值输入等操作，比GX-works2仿真器更方便。但凌—PLC模拟器不支持Q系列PLC、不支持标签结构化编程的仿真。

通讯连接设置如图3所示，PLC模拟器有2组串行通讯接口与外界通讯，一组是下载口，一组是扩展通讯口。这里用了下载口虚拟串口（COM10）与GX-works2通讯，通过扩展通讯虚拟串口（COM2）与KingView组态仿真系统通讯。所有的PLC下载以及监视等过程均与实际PLC操作一致，程序运行时不需要启动三菱编程软件的模拟运行，打开PLC模拟器的运行按键即可，运行效果与真实PLC效果一致。

图3 凌—PLC模拟器通讯端口连接图

虚拟串口软件的安装使用：VSPD（Virtual Serial Ports Driver）虚拟串口软件是由Eltima软件公司设计的虚拟串口软件，使用方便且稳定。VSPD会自动识别出本台计算上有几个物理串口，并可以添加虚拟端口。虚拟端口一定是成对出现的。在这里虚拟了2对虚拟串口，COM10和COM11为一对，COM10已设置连接PLC模拟器，Gx-works2编程软件选择COM11。它们通过这一对虚拟串口建立通讯，此时程序写入和运行都是在PLC仿真器里进行。Gx-works2编的程序如果需要写入实物PLC，则要选择物理串口COM3。另外一对虚拟串口为COM1和COM2，其中COM2已连接PLC模拟器，组态软件的仿真系统通讯接口则选择COM1，PLC模拟器通过这一对虚拟串口通讯。组态仿真系统如果是连接实物PLC的控制系统，则需要选择物理串口。虚拟串口的设置如图4所示。

图4 虚拟串口的设置

KingView的通讯参数设置：设置连接FX系列编程口，端口号COM1，波特率9 600，数据位7，停止位1，偶校验。GX-works2设置端口号COM11同样的通讯参数。编程软件、PLC仿真器，KingView仿真教学系统工程通过2对虚拟串口相互通讯。通过PLC模拟器控制虚拟的仿真系统，可以让教学系统完全脱离硬件，实现了只需计算机就可以实现随时随地编程学习。如图2中的YL-235分拣系统以及图5的立体仓库系统，既可连接实际硬件设备安装调试，也可以完全脱离工控硬件设备进行程序编写与调试学习。

图5 立体仓库全虚拟系统运行

3 3D虚拟工厂通信实现以及在整个仿真系统中的结合应用

FactoryⅠO是一款蕴含了工业系统搭建、PLC编程PLC控制系统调试等技能训练的PLC交互式教学仿真软件，允许用户通过拖拽的方式简单快捷地创建3D工业系统。此系统可被各种外部技术控制，成为一个虚拟的被控对象，是一款非常好的开展PLC技术专业课教学、实训的辅助工具[2]。FactoryⅠO可以较好地跟西门子博途软件兼容，其驱动可以直接选择连接西门子系列PLC，这款工业系统虚拟软件在西门子系列PLC教学中应用比较广泛，但在三菱系列PLC教学中应用案例极少。主要原因是三菱PLC与FactoryⅠO的通讯问题，三菱GX自带仿真器极难与第三方软件通讯。

这里提供了一种解决方案，不使用GX仿真器，利用MODBUS/TCP协议使凌—PLC仿真器与FactoryⅠO建立通讯。MODBUS/TCP是作为一种（实际的）自动化标准发行的，Modbus协议是一种已被广泛应用于当今工业控制领域的通用通讯协议，通过此协议，控制器相互之间或控制器经由网络（如以太网）可以和其他设备之间进行通讯[3]。PLC模拟器自带Modbus TCP通讯功能，可通过该协议访问到三菱PLC所有内部软元件。FactoryⅠO驱动选择Modbus TCP这项内容，可通过Modbus TCP通讯协议与仿真器建立通讯，从而实现三菱系列PLC通过FactoryⅠO进行工业控制系统的编程训练。

PLC模拟器端具体设置：TCP端口选择502，并打开侦听，如图3所示。

三菱PLC软元件在Modbus访问对应的地址编号如表1所示。

表1 三菱PLC软元件在Modbus访问对应的地址编号

FactoryⅠO的设置：Modbus TCP/ⅠP中，服务器是从机，而客户端是主机，这里FactoryⅠO作为服务器，端口驱动选择Modbus TCP/ⅠP Client，因为通讯回路都是本机，所以主机ⅠP地址设置为127.0.0.1本地回环地址，从站ⅠD选择1，端口选择502。

以FactoryⅠO实训场景物料称重分拣系统为例，阐述具体场景端口设置过程：称重分拣系统分别需要用到14个输入和14个输出端口，这个例子中分配了三菱PLC的M0～M13作为传感器检测和控制信号输入，因为X输入端正常情况下不能改写输入状态，即使用了在Modbus TCP下可以改写的端口，还是会出现X端子信号不能稳定置1的情况。虚拟系统的编程调试过程中输入端子用M端代替更合适。查询三菱PLC软元件位元件在Modbus对应地址，如表1所示，位元件M0的Modbus地址为2048，在FactoryⅠO驱动设置页面点击配置，在服务器端口设置时设置数字输入偏移地址为2048，计数14，这样就添加了M0～M13共14个位元件到输入端口。查询表1中位元件Y0对应Modbus地址为1280，设置数字输出偏移地址为1280，计数14，这样就添加了Y0～Y15到输入端口。如需增加重量分类的工件计数数据，需添加输出数据寄存器4个，可选择寄存器偏移地址0，计数4，这样就添加了D0～D3到寄存器输出端口。对于虚拟工厂输出的AD信号，例如称重数据信号，可以选择AD输入，例如选择第2路输入则偏移地址选择61441，三菱编程程序中可通过WR3A K0 S1 S2指令调整模拟量的值，参数S1表示模拟通道（需要乘以10），S1表示模拟量的值。例如对第2路模拟信号的通道里面的数据，可以用WRD3A K0 K10 D0、WR3A K0 K10 D0读写。如果为了编程更方便，称重数据信号也可以直接连接普通寄存器，比如D4，这样数据不需要AD读写指令可直接调用。

完成通讯设置后，虚拟PLC仿真器通过虚拟串口、Modbus TCP通讯，连接了编程软件、组态软件、FactoryⅠO虚拟工厂软件，建立稳定的通讯。组成一套使用方便的全虚拟仿真教学系统。在此仿真系统中，组态软件可以作为FactoryⅠO HMⅠ界面，作为控制信号的输入、系统状态指示、监控等，扩展FactoryⅠO功能。例如虚拟工厂的仓库系统，需要一个仓位操作和仓位存货状态显示的人机界面，这时可以用组态软件对这个操作界面进行开发，在组态软件的仿真系统中新增一个仓储系统的人机界面，如图6所示。程序调试运行时，可以利用这个界面操作FactoryⅠO的立体仓储系统，如图7所示。虚拟工厂的其他应用场景中，也可以用组态软件开发相应的页面，对虚拟工厂各个实训场景的进行状态监控和数据统计分析，使得FactoryⅠO功能更完善。

图6 组态软件制作的虚拟工厂HMⅠ界面

图7 虚拟工厂立体仓库编程调试场景

4 结束语

本文介绍了三菱PLC仿真系统，通过对编程软件、PLC模拟器、组态软件、虚拟工厂的通讯研究，可以灵活组合得到不同的应用场景，可以针对不同的教学场合使用不同的实训功能，可对接实物教学设备，也可全虚拟应用，可以进行人机界面的开发，也可以进行工业控制系统设计、编程调试，使不同的学习层次学生都能找到相应的学习内容，只要对实训项目内容加以完善，便可以成为一套非常完备的仿真教学系统。