液壓系統PLC控制可視化虛擬教學實驗系統的設計

岳大靈　魏列江　劉增光

[摘 要]為滿足我校液壓專業液壓系統微機控制課程的理論和實驗教學需要，可以設計一套液壓系統PLC控制可視化虛擬教學實驗系統。該系統可實現從虛擬操作臺操作到PLC梯形圖運行、電氣元器件動作和虛擬液壓系統動作的實時全聯動，能夠直觀、逼真地顯示真實液壓系統微機控制中內部控制信號間相互作用和傳遞的全過程，解決學生學習過程中對隱藏于控制系統硬件內部的控制信號感覺抽象、難以理解的問題。

[關鍵詞]液壓系統；可視化；PLC；虛擬教學實驗系統

[中圖分類號] G642.423 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）09-0137-03

虛擬實驗從20世紀80年代開始，在國外實驗教學方面逐步得到應用和推廣。國外的一些大學目前已經建立了較完善的虛擬實驗室。國內開展虛擬教學實驗起步較晚，高麗萍等在組態軟件MCGS的基礎上，研究提出了虛擬PLC系統的方案[1]；葉力等設計了基于GX與MCGS的全虛擬PLC控制系統，解決了GX與MCGS的通信問題[2]；王海濤等借助于易控組態軟件，構建一種全虛擬PLC控制系統，以工業清洗機的控制系統為例，給出了全虛擬PLC系統應用的方法[3]；任豐蘭開發了基于組態王和PLC軟件虛擬仿真的教學實驗系統，建立了虛擬仿真的教學實驗系統的三個模型，并運用PLC和組態王軟件對其進行了仿真[4]；陳海生等開發了一種面向全虛擬PLC的遠程試驗系統，模擬上下位機的實際PLC系統，并通過Web發布將平臺與各個終端機相聯實現資源的遠程共享。[5]目前，國際和國內各高校所開發的虛擬教學實驗系統存在以下主要問題。

1.開發的虛擬教學實驗系統都是針對自己學校有關專業實驗教學相配套的虛擬教學實驗系統，通用性不強。

2.所開發的虛擬實驗系統的實驗過程，一般只包括在虛擬實驗操作臺上操作和對應操作下的虛擬被控對象的模擬動作顯示，而隱藏在整個控制系統硬件里面的內部控制信號之間是如何傳遞、相互影響和作用等知識內容，在已有的虛擬實驗系統中都無法表示出來，而且這些知識內容即使真實的液壓系統微機控制實驗設備實驗時也無法直觀看到和學到。但是這些知識內容卻是學習液壓系統微機控制的關鍵核心內容，也是學生在學習液壓系統微機控制課程中感覺抽象、無法理解的東西。為了解決這些問題，本項目組設計了一套液壓系統PLC控制可視化虛擬教學實驗系統。

一、虛擬教學實驗系統方案

本虛擬教學實驗系統方案由虛擬液壓系統模塊、虛擬操作臺模塊、虛擬PLC模塊、通訊模塊、實驗管理模塊五部分構成。

其中虛擬液壓系統模塊用來模擬各種真實的液壓系統在控制信號作用下的控制動作過程；虛擬PLC模塊通過在計算機中模擬一套真實的PLC，對編寫的控制程序進行下載和運行的實時監控；虛擬操作臺模塊是用來模擬真實控制系統操作臺上的各種按鈕，開關來接收實驗操作者的輸入指令；通訊模塊用來實現虛擬PLC模塊、虛擬操作臺模塊和虛擬液壓系統模塊三者之間的信號通訊，實現操作者操作、PLC控制和被控液壓系統之間的實時全聯動；實驗管理模塊主要負責實驗操作者登錄、實驗項目調用、實驗數據處理、打印等工作。

二、虛擬實驗系統各模塊的實現

本虛擬實驗系統各個模塊的功能是依靠計算機上安裝的組態王組態軟件、三菱PLC編程軟件GX Developer、三菱PLC仿真軟件GX Simulator和提供OPC服務的MX OPC Server等軟件來實現的。

（一）組態王軟件的應用

1.建立虛擬液壓系統模塊?？赏ㄟ^Flash動畫制作軟件或Pro/E三維設計軟件建立虛擬二維或三維液壓系統動作模型，在組態王軟件中根據虛擬PLC輸出控制信號進行相應動作的編程調用。圖1為在Pro / E中設計的液壓振動臺三維模型。

2.建立虛擬操作臺模塊。在組態王的畫面設計中通過調用圖庫中的各種按鈕、開關、指示燈等來搭建與真實電氣控制操作臺功能相同的各種類型虛擬操作臺。圖2為建立的虛擬操作臺的工作界面。

3.建立實驗管理模塊。實驗管理模塊是在組態王軟件下根據不同的實驗調用相對應的實驗操作臺模塊和虛擬液壓系統模塊來模擬虛擬液壓系統PLC控制的實驗過程和實驗結果。圖3是為本虛擬實驗系統設計的實驗項目管理界面。

（二）GX Developer+Simulator的應用

虛擬PLC模塊的實現是依靠三菱PLC軟件GX Developer和GX Simulator來實現的。GX Developer主要提供PLC程序的圖形化編輯平臺，在GX Developer中可完成三菱全系列PLC的編程、監控、調試和維護工作，支持梯形圖、指令表、SFC、ST及FB編程。編寫好的PLC控制程序通過調用GX Simulator實現已編控制程序的下載和虛擬PLC的模擬運行。梯形圖的編寫和虛擬PLC的模擬運行如圖4所示。

（三）MX OPC Server的應用

虛擬PLC模塊與組態王軟件里的虛擬液壓系統模塊和虛擬操作臺模塊三者之間不能直接進行信號傳輸，它們之間通訊由MX OPC Server來完成。

1.MX OPC Server與虛擬PLC模塊通訊。在MX OPC Configurator中通過建立虛擬實驗系統通訊數據庫來連接虛擬的PLC以及對虛擬PLC的輸入、輸出變量進行定義。在MX OPC Configurator中連接虛擬PLC（名稱為XuNiPLC）及輸入、輸出變量的定義如圖5所示。

2.MX OPC Server與組態王的通訊。首先在組態王軟件的OPC服務器中選擇由MX OPC Server提供的Mitsubishi.MXOPC.1OPC服務器；其次在組態王軟件數據詞典中建立相應的變量并與0PC服務器中虛擬的PLC對應的變量進行連接，同時可對變量的名稱、類型、連接設備、采集頻率以及寄存器和讀寫屬性等進行設置。建立變量X6及OPC連接如圖6所示。

三、液壓系統PLC控制虛擬實驗系統設計實例

機床工作臺液壓系統是比較典型的液壓傳動系統，幾乎所有的液壓傳動教材都對其工作原理進行了詳細介紹。因而機床工作臺液壓系統的PLC控制是液壓專業學生學習液壓系統微機控制課程最恰當、最適宜的液壓系統PLC控制應用實例。

（一）機床工作臺液壓系統PLC控制原理

根據其液壓工作原理和控制過程要求，對該液壓系統的PLC控制進行PLC選型和端子分配，共需要8個輸入點，6個輸出點，選用三菱FX2N系列PLC可以滿足上述需求，電路外部接線圖如圖7所示。具體控制過程如下：按下啟動按鈕SB3，電機帶動液壓泵啟動；旋轉開關QS2轉到加壓位置，電磁溢流閥線圈得電，液壓泵加載給工作臺供油；當QS1處于手動模式時按下左移按鈕SB1，電磁換向閥線圈YA0通電，換向閥給液壓缸右腔供油，液壓缸帶動工作臺左移，當工作臺左移碰觸到行程開關SQ1后線圈YA0斷電工作臺停止左移；按下右移按鈕SB2，電磁換向閥線圈YA1通電，換向閥給液壓缸左腔供油，液壓缸帶動工作臺右移，當工作臺右移碰觸到行程開關SQ2后YA1斷電工作臺停止右移；當QS1切換到自動模式時工作臺自動執行上述左移、右移的動作；按下停止按鈕SB4時所有電磁鐵失電，油泵卸荷，工作臺停止運動。

（二）機床工作臺液壓系統PLC控制虛擬實驗系統的設計與運行

1.在組態王軟件下依照機床工作臺液壓原理圖和PLC控制接線圖建立虛擬機床工作臺液壓系統和虛擬操作臺，并用信號線將虛擬液壓系統及虛擬操作臺上的接線端子與PLC圖片上的X、Y對應端子相連；把虛擬機床工作臺液壓系統和虛擬操作臺的變量與組態王數據詞典中已定義的變量進行關聯。在組態王中建立的機床工作臺虛擬實驗系統如圖8所示。

2.確保在OPC Server中建立的虛擬實驗系統通訊數據庫處于活動狀態，同時運行GX Developer和組態王對機床工作臺液壓系統PLC控制過程進行虛擬實驗。下面以手動左移為例，介紹控制信號的整個傳輸過程。當按下左移按鈕時，控制信號流入PLC的X2端口；同時在GX Developer梯形圖中X2接通，線圈Y0得電，PLC的Y0端口內部繼電器閉合，控制信號從PLC的Y0端口流向電磁換向閥右電磁鐵YA0，電磁鐵得電給油缸右腔供油，工作臺左移。此時組態王中PLC的端口X2、X4、X5、Y0、Y1、Y2、Y4處于高電平狀態，相應的指示燈點亮，同時連接信號線變成紅色表示有控制信號流過。操作臺、液壓系統和PLC之間的控制信號傳輸見圖9所示，PLC內部梯形圖概念電流流向如圖10所示。

四、總結

本文將虛擬現實技術、計算機信息技術應用于液壓系統微機控制課程的可視化虛擬實驗教學中，其主要特色如下。

1.利用組態技術、虛擬現實技術和二、三維建模和動畫制作技術，實現液壓系統PLC控制從操作臺操作到被控液壓系統響應的整個控制動作全過程的可視化，同時實現虛擬實驗臺操作、梯形圖運行、虛擬液壓系統動作之間的實時全聯動，將隱藏在整個控制系統硬件內部的控制信號相互作用和傳遞的全過程直觀、形象、逼真、生動地顯示出來，達到較好的教學試驗與應用效果，同時加深學生對理論教學的理解。

2.虛擬教學實驗系統在實驗項目的設置上，既考慮我校液壓學生畢業就業領域及非電類專業學生學習PLC控制的特點，又兼顧真實液壓系統微機控制實際工程項目的設計開發流程，非常有針對性和實用性。

3.利用本虛擬教學實驗系統，不僅可以開展虛擬被控對象（虛）+虛擬PLC（虛）模式實驗，也可開展虛擬被控對象（虛）+實物PLC（實）模式實驗，用PLC實物實驗驗證虛擬實驗的正確性。

4.本虛擬實驗系統具有開放性和極好的擴展性，后續可開發出其他被控系統（如水泵系統、風力機系統等）微機控制虛擬實驗項目，可滿足我校其他專業學生控制類課程的實驗教學需求。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 高麗萍，鄭萍.基于MCGS的PLC虛擬控制系統研究[J].西華大學學報（自然科學版），2006（25）：94-96.

[2] 葉力.基于GX與MCGS的全虛擬PLC控制系統研究[J].中國現代教育裝備，2007（12）：39-41.

[3] 王海濤，鄭萍.基于易控組態軟件全虛擬PLC的實現及應用[J].微計算機信息，2010（25）：83-85.

[4] 任豐蘭.基于組態王和PLC的虛擬仿真教學實驗系統的開發[J].機電工程技術，2012（3）：43-47.

[5] 陳海生.全虛擬PLC遠程試驗系統的研究與開發[J].自動化儀表，2013（3）：28-30.

[6] 魏列江.液壓系統微機控制[M].北京：電子工業出版社，2014.

[責任編輯：陳 明]