基于组态软件的虚拟PLC实验室建设思路

张玉艳　韩希昌　于宏涛

摘 要：利用组态软件开发PLC的控制对象，模拟其工作过程，同时借助于组台软件的Web发布功能，构建一个基于WEB环境下的虚拟PLC实验室，为学生搭建一个类似于实际实验的虚拟环境。在该环境中学生可以远程对指定实验进行搭建和操作，可以观察实验数据和结果。该系统具有成本低、免维护、灵活多样、形象直观等优点，很好地解决了传统开设PLC实验方法遇到的各种困难。

关键词：PLC； 组态软件； 虚拟实验

【中图分类号】TP277

传统可编程控制器（PLC）实验采用PLC设备和硬件电路搭建的控制对象[1-2]，其缺陷是占用大量实验室空间、硬件设备价格昂贵、很难进行修改和升级换代、硬件设备维护困难等。所以，如何进行新型PLC实验室的改造已成为迫在眉睫的问题，而工业组态控制技术能较好的解决这一问题。组态软件使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具，能够支持各种工控设备和常见的通讯协议，同时组态软件自身还提供基于Web远程访问的功能[3-4]。

因此，将PLC与组态软件的优点结合起来， 建立组态虚拟PLC实验室，解决了自动化专业的实验教学、课程设计、实训以及毕业设计等环节所面临的实际问题，也为教学和科研节省大量经费，缩短开发周期，创造良好的经济效益，是实践教学模式的革新。

一、虚拟实验室建设原则

虚拟仿真实验室建设应充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则。在功能上应体现以下几个方面：

综合化：实验系统应紧密结合工业系统实际，形成完善体系，功能上综合化。

拟实性：所有测控对象及参数均为工业现场的设备和参数或对他们进行小型化处理而得

到的。

模块化：各类测控对象和参数均相对独立构成模块，具有相对独立且典型的功能，易于组合和拼装，满足不同专业学科的实验需要。

开放性：核心软件平台具有开放的应用软件接口，满足用户的二次开发需要。

扩展性：用户根据需要设计出适合自身需要的扩展模块，集成到系统中。

网络化：所有测控对象既可以独立实验又可以成为局域网中其他PC的共享设备，组成一个虚拟实验室。

二、基于组态软件的虚拟PLC实验室建设思路

虚拟PLC实验室的系统结构如图1所示。系统以组态软件做为平台，开发控制实验的仿真对象，内嵌PLC编程软件实现控制程序编写，以PLC做为控制设备，借助于组态软件自带的Web Server发布到Internet，远程客户端实现登录功能。组态软件通过以太网与PLC之间进行通信，并监控PLC所有存储器、控制器及I/O接口的状态，以变量值的形式传输到计算机上，供服务器使用、处理。

三、基于组态软件的虚拟PLC实验室建设方案

虚拟实验室的基本组成架构如图2所示。主要包括四部分：界面组态、数据库组态、通讯设置和远程登录。

1. 图形界面的开发

图形界面是虚拟实验的具体体现。组态软件作为用户可定制功能的软件平台工具，可虚拟出多种控制对象。虚拟对象整体规划时应尽可能把实际工控设备的特征和它的工作场景形象地反映出来，同时也要把输入控制面板反映出来，以便实现对虚拟对象的控制。图形界面开发主要包括图形绘制、数据变量的确定、动画连接、命令语言编写及虚拟对象调试。

2.数据库的建立

数据库组态是虚拟实验室的核心部分。为了实现开放的实验效果，做数据库组态的时候，组态的点具有共享性，避免实验对象和外部控制设备具有关联性。

数据库中的数据来源主要有三种，一种来自PLC，即数据库变量，把实际PLC的I/O点和PLC内部寄存器的变化状况联系起来，为虚拟设备的动画连接打下基础，如设备的启停控制、设备运行状态的显示；一种是内存变量，来自仿真仪表，主要用于管理功能的实现，如成绩评定、错误提示等；还有一种是DDE变量，来自EXCEL文件，主要用于控制系统中所需模拟量的仿真，如水箱液位、管道压力、流量、电机电流、温度等仿真。

3.通讯设置

本系统中组态软件与PLC之间的通讯采用TCP/IP协议。组态软件和Excel之间采用DDE方式通讯。

4.远程登录设置

利用组态软件支持的ActiveX技术，将PLC仿真实验通过WEB发布到网上，利用Internet实现远程操作及控制。实现方法是利用嵌在浏览器上的ActiveX组件作为客户端操作界面。当用浏览器访问包含ActiveX组件的Web页面时，该组件自动下载到客户端，客户端用该组件通过HTTP协议向服务器端传递控制信息和数据信息，服务器端利用ASP接收信息，利用数据库系统响应请求，并把结果返回到客户的ActiveX组件中，ActiveX可以在客户端运行显示动画。

四、结论

虚拟实验室是实验室本身的一种革新，不管从实验效果上来看、实验成本节省上来看都有着较明显的优势，这一全新的实验模式必将推动高校教学的发展。本文以组态软件做为平台，以PLC做为控制设备，提出了基于Web 访问的虚拟PLC实验室建设思路。该实验室具体如下优点：能直接从界面中观察出实验结果正确与否，这给学生的编程和调试带来很大方便；结合先进的科技手段， 界面导航的直观性、人机交互界面良好，能够提高学生自主学习的兴趣；虚拟实验室能给任何实验者在任何时间、任何地点广泛的提供实验场所，只要实验者能连接上互联网，他就能使用虚拟实验室完成需要的实验，具有良好的开放性。

参考文献

[1] 赵玉华. 基于组态技术的PLC虚拟仿真系统设计[J]. 应用科技， 2005（12）： 48-50

[2] 周永勤， 等. 基于多組态平台工控设备虚拟仿真实验教学的研究[J]. 电气电子教学学报， 2005（1）：76-78

[3] 孙张伟， 等. 基于组态的网络虚拟实验平台的研究[J]. 计算机仿真， 2007（4）： 275-278

[4] 易飞， 张湜. 组态技术在虚拟实验室中的应用[J]. 微处理机， 2007（6）：108-111

基金项目：辽宁省教育科学“十二五”规划立项课题（JG14DB292，JG15DB289）

作者简介：张玉艳（1977-）， 女（蒙古族），内蒙赤峰人，副教授，博士，主要从事虚拟实验室研究。endprint