全虚拟PLC远程试验系统的研究与实现

陈海生 郑 萍

(西华大学电气信息学院，四川 成都 610039)

0 引言

随着PLC在我国各个行业的广泛应用和快速发展，建立先进的PLC教学试验系统对普及PLC控制技术及提高我国自动化水平就显得尤为重要。目前，主要存在两类PLC教学试验系统:全实物的PLC试验系统和以组态软件与下位PLC硬件构成的半虚拟试验系统。前者按照实际控制系统组合形成完整的PLC控制系统;后者则采用组态软件技术，全真模拟实际PLC控制系统中相关控制对象及现场设备，相比前者，其试验硬件成本大为减少［1］。

为了解决在无PLC硬件条件下的教学及资源共享问题，本文提出了一种全虚拟PLC试验系统的方案。该系统将虚拟PLC技术、虚拟通信技术、工业组态软件技术和网络技术相结合，为PLC教学提供了完整的本机调试、上下位机控制及网络连接的现代试验平台，是一种利用现有资源实现的先进PLC试验教学系统。

1 全虚拟系统总体方案

全虚拟PLC远程试验室系统的总体方案图如图1所示，系统由全虚拟PLC试验平台和远程网络两大部分组成。

图1 全虚拟PLC试验系统总体方案图Fig.1 The general scheme of full virtual PLC experimental system

全虚拟PLC试验平台建立在PC机上，本校在教学中主要讲授三菱PLC，因此首先安装基于三菱PLC的编程软件 GX Developer。该编程软件自带 GX Simulator仿真功能，可作为调试用的 PLC。在 GX Developer中编写梯形图程序，然后将其下载到虚拟PLC软件GX Simulator中，运行 GX Simulator软件，即模拟PLC的程序运行。工业组态软件可采用易控组态软件，也可采用其他相关组态软件，以实现上位机对PLC的监控，并通过组态软件在PC机上全真模拟PLC的控制对象及相关的现场设备［2］。为了将模拟PLC的GX Simulator仿真软件与组态软件进行数据交互，可利用VSPM虚拟串口软件的串口连接功能将两者连接，实现数据在GX Simulator仿真软件与组态软件之间的上传下达。

为实现试验室本体平台上的资源共享和远程教学，可利用基于易控组态软件的Web网络发布功能，使用者在以太网上通过浏览器对试验室资源进行IP访问和远程试验。学习人员在家里就可以共享试验室资源，并完成一系列PLC试验。

2 虚拟试验平台的建立

2.1 系统软件平台的建立

在PC机上安装如下程序:三菱的编程平台GX Developer和GX Simulator仿真程序、易控组态软件和IIS功能组件以及VSPM虚拟串口软件。

2.2 虚拟PLC的建立

GX Developer是三菱的通用编程软件，可完成三菱全系列PLC的编程、监控、调试和维护工作，可支持梯形图、指令表、SFC、ST 及 FB 编程［3］。

以三菱公司 A3U型 PLC为例，首先在 GX Developer编程软件中新建一个工程;根据试验需要编写控制系统程序，编译通过后，启动梯形图逻辑测试(ladder logic test，LLT)，梯形图程序将下载到 GX Simulator仿真软件。此时的GX Simulator即相当于一台全状态运行的虚拟 PLC［4］。

2.3 通信实现

①虚拟PLC的通信串口设定:虚拟PLC处于RUN状态时，选择菜单启动中的串口通信功能会弹出串口通信机能的设置窗口;在窗口中设定通信时GX Simulator的串口COM1通信环境(如COM口、波特率、数据长度、奇偶校验等)。

②易控组态软件通信串口设定:打开易控组态软件，在工程窗口中设置选项“I/O通信”，新建一个串口通道，设置通信参数和串口子设备参数，令它的通信参数与GX Simulator的COM1串口通信环境保持相同。这就为易控设置了一个和虚拟PLC通信参数相同的串口COM2，接下来只需将两者互联便可实现通信。

③虚拟PLC与易控的通信连接:通过VSPM虚拟串口软件，实现GX Simulator与易控的连接。VSPM虚拟串口软件可以将TCP/IP连接、UDP广播映射成本机的虚拟COM口，应用程序通过访问虚拟串口，完成远程控制、数据传输等功能［5］。若针对本机同一IP地址进行VSPM传输，只需通过VSPM建立一个对应GX Simulator的COM1串口和对应易控组态串口COM2的串口，便可实现两应用程序之间的虚拟通信。其工作模式如图2所示。

图2 VSPM虚拟串口UDP模式工作示意图Fig.2 Schematic diagram of UDP mode in VSPM

设置虚拟串口的方法如下。打开VSPM软件，选择串口建立方式为“默认的虚拟串口”，建立相应的两个COM1和COM2口。其中:UDP接收和发送地址都设为本机IP地址;COM1的接收端口设为COM2的发送端口，COM2的发送端口设为COM1的接收端口。映射模式选择UDP广播模式。

综上所述，将在GX Developer所编的梯形图程序下载到GX Simulator运行，通过VSPM在GX Simulator和易控组态软件之间进行通信连接，并建立基于易控组态软件的监控界面。

3 虚拟试验系统的应用

在搭建全虚拟PLC试验平台后，还需要完成对具体PLC控制试验系统的设计。笔者在系统中集成了一系列的常见试验案例，以下仅以交通灯控制系统为例，说明全虚拟PLC试验系统设计的方法和过程。

1)交通灯控制系统分析与PLC编程调试。

按照交通灯工作流程要求，在GX Developer编写梯形图控制程序，将编写好的部分梯形图程序写入虚拟PLC(既启动LLT)，进入虚拟仿真调试，完成交通灯PLC控制系统的编程调试［6］。

2)采用VSPM虚拟串口软件，实现GX Simulator与易控的通信连接。

3)易控组态软件的上位监控界面设计。

易控组态软件是一种面向工业自动化的通用数据采集和监控的组态软件，它能够实现对自动化过程和装备的监视和控制［7］。根据实际现场的需要，在易控组态软件平台进行上位监控界面设计，模拟PLC的被控对象，并以动画形式展示PLC控制对象的工作过程。其设计步骤如下［8］。

①组建系统工程:首先运行易控组态软件进入组态画面，再分析交通灯控制系统工程项目结构，并进行监控的窗口界面设计。

②动画制作:将用户窗口中图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关连接，并设置相应的动画属性。

③运行策略:当一般的动画属性设置不能满足要求时，采用脚本程序，从而在运行策略中实现更高级的动画仿真。

④设备窗口组态:在易控组态组态界面下分别在“I/O通信”与“变量”选项中添加控制量信息，然后进行相应的通信参数连接设置;在“I/O通信”选项中，建立PLC变量和易控组态数据库变量之间的连接，使它们之间的逻辑关系一一对应。

通过上述步骤，建立了一个全虚拟的交通灯控制系统。此时，GX Simulator相当于一台下载完交通灯控制程序并处于运行状态的PLC。此时易控的各种组态变量数据库已经通过VSPM串口通信软件与PLC寄存器变量建立连接，进入易控运行界面。该运行界面可显示运行监控窗口，进而生动形象地演示了交通灯系统的工作过程。

4 基于Web功能的远程发布

易控组态软件具有Web发布功能，将运行易控的计算机作为WebServer，可将易控运行工程中的画面以网页的形式发布到互联网上。客户端无需安装任何软件，通过IE浏览器就可以访问WebServer易控运行工程的画面［9］，其相关设置和操作如下。

在易控“开发环境”中，打开所对应的工程，点击“编译网页”，将希望提供给远程IE端访问的画面生成.xbap格式的网页文件，同时设置服务器的名称和通信时使用的端口号等参数。用户可在“发布网页”设置中选择“选用IIS发布方式”并进行相应的配置，再选择发布网页即可将网页发布。

当易控的发布方将组态Web发布完毕，并运行组态软件以后，用户端可以打开IE在浏览器，在地址栏中输入“Web发布的IP地址”和“端口”，浏览Web服务器上的数据和画面。

该试验平台提供了一系列虚拟PLC控制系统供使用者学习。在输入正确的登陆人和登录密码以后，远程使用者就可以根据需要选择和切换不同的试验任务，进行PLC控制系统的模拟仿真试验。当点击交通灯试验时将显示运行画面。当然，还可以对访问者进行权限的配置。用户只有拥有访问权，才能对试验系统进行访问或操作。

5 结束语

本文所讨论的全虚拟的PLC远程教学系统，有效地解决了在无PLC硬件条件下的完整PLC控制系统的设计和调试试验问题，有利于PLC控制系统教学的普及和推广;采用基于组态软件的远程功能，将PC试验平台与各个试验终端相联，实现了资源共享和教学之间的互动，并向学生展示了远程监控的构建过程及其功能。

采用VSPM虚拟串口软件，实现虚拟PLC和组态软件的连接，这一方法不仅适用于易控，而且适用于大多数的上位组态软件(如MCGS、组态王、力控等)。该试验体系充分利用现有计算机及网络的平台，实现了一种集本机调试、上下位机控制及网络连接功能于一体的现代试验平台，是对先进PLC试验教学系统的一次有益尝试。

［1］高丽萍，郑萍.基于MCGS的PLC虚拟控制系统研究［J］.西华大学学报:自然科学版，2006(25):94－96.

［2］田虎，杨承志.基于DDE和组态软件的控制系统仿真研究［J］.自动化仪表，2009，30(2):11 －14.

［3］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(12):39－41.

［4］廖常初.FX系列PLC编程及应用［M］.北京:机械工业出版社，2007:6

［5］王海涛，郑萍.基于易控组态软件全虚拟PLC的实现及应用［J］.微计算机信息，2010(25):83－85.

［6］关智.基于Web的PLC远程试验系统的研究［D］.沈阳:沈阳工业大学，2007.

［7］徐宇茹，李廷军，蔡晓霞，等.利用通信控件实现串口通信软件［J］.现代电子技术，2004，27(2):57 －58.

［8］李瑞程，陈国联.可编程控制器(PLC)在试验教学中的运用［J］.试验技术与管理，2003，20(6):37 －40.

［9］张建刚，郑萍.基于MCGS和PLC的小车装卸料虚拟系统设计［J］.成都纺织高等专科学校学报，2010，27(1):12－15.