液压系统PLC控制可视化虚拟教学实验系统的设计
岳大灵 魏列江 刘增光
[摘 要]为满足我校液压专业液压系统微机控制课程的理论和实验教学需要，可以设计一套液压系统PLC控制可视化虚拟教学实验系统。该系统可实现从虚拟操作台操作到PLC梯形图运行、电气元器件动作和虚拟液压系统动作的实时全联动，能够直观、逼真地显示真实液压系统微机控制中内部控制信号间相互作用和传递的全过程，解决学生学习过程中对隐藏于控制系统硬件内部的控制信号感觉抽象、难以理解的问题。
[关键词]液压系统；可视化；PLC；虚拟教学实验系统
[中图分类号] G642.423 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）09-0137-03
虚拟实验从20世纪80年代开始，在国外实验教学方面逐步得到应用和推广。国外的一些大学目前已经建立了较完善的虚拟实验室。国内开展虚拟教学实验起步较晚，高丽萍等在组态软件MCGS的基础上，研究提出了虚拟PLC系统的方案[1]；叶力等设计了基于GX与MCGS的全虚拟PLC控制系统，解决了GX与MCGS的通信问题[2]；王海涛等借助于易控组态软件，构建一种全虚拟PLC控制系统，以工业清洗机的控制系统为例，给出了全虚拟PLC系统应用的方法[3]；任丰兰开发了基于组态王和PLC软件虚拟仿真的教学实验系统，建立了虚拟仿真的教学实验系统的三个模型，并运用PLC和组态王软件对其进行了仿真[4]；陈海生等开发了一种面向全虚拟PLC的远程试验系统，模拟上下位机的实际PLC系统，并通过Web发布将平台与各个终端机相联实现资源的远程共享。[5]目前，国际和国内各高校所开发的虚拟教学实验系统存在以下主要问题。
1.开发的虚拟教学实验系统都是针对自己学校有关专业实验教学相配套的虚拟教学实验系统，通用性不强。
2.所开发的虚拟实验系统的实验过程，一般只包括在虚拟实验操作台上操作和对应操作下的虚拟被控对象的模拟动作显示，而隐藏在整个控制系统硬件里面的内部控制信号之间是如何传递、相互影响和作用等知识内容，在已有的虚拟实验系统中都无法表示出来，而且这些知识内容即使真实的液压系统微机控制实验设备实验时也无法直观看到和学到。但是这些知识内容却是学习液压系统微机控制的关键核心内容，也是学生在学习液压系统微机控制课程中感觉抽象、无法理解的东西。为了解决这些问题，本项目组设计了一套液压系统PLC控制可视化虚拟教学实验系统。
一、虚拟教学实验系统方案
本虚拟教学实验系统方案由虚拟液压系统模块、虚拟操作台模块、虚拟PLC模块、通讯模块、实验管理模块五部分构成。
其中虚拟液压系统模块用来模拟各种真实的液压系统在控制信号作用下的控制动作过程；虚拟PLC模块通过在计算机中模拟一套真实的PLC，对编写的控制程序进行下载和运行的实时监控；虚拟操作台模块是用来模拟真实控制系统操作台上的各种按钮，开关来接收实验操作者的输入指令；通讯模块用来实现虚拟PLC模块、虚拟操作台模块和虚拟液压系统模块三者之间的信号通讯，实现操作者操作、PLC控制和被控液压系统之间的实时全联动；实验管理模块主要负责实验操作者登录、实验项目调用、实验数据处理、打印等工作。
二、虚拟实验系统各模块的实现
本虚拟实验系统各个模块的功能是依靠计算机上安装的组态王组态软件、三菱PLC编程软件GX Developer、三菱PLC仿真软件GX Simulator和提供OPC服务的MX OPC Server等软件来实现的。
（一）组态王软件的应用
1.建立虚拟液压系统模块。可通过Flash动画制作软件或Pro/E三维设计软件建立虚拟二维或三维液压系统动作模型，在组态王软件中根据虚拟PLC输出控制信号进行相应动作的编程调用。图1为在Pro / E中设计的液压振动台三维模型。
2.建立虚拟操作台模块。在组态王的画面设计中通过调用图库中的各种按钮、开关、指示灯等来搭建与真实电气控制操作台功能相同的各种类型虚拟操作台。图2为建立的虚拟操作台的工作界面。
3.建立实验管理模块。实验管理模块是在组态王软件下根据不同的实验调用相对应的实验操作台模块和虚拟液压系统模块来模拟虚拟液压系统PLC控制的实验过程和实验结果。图3是为本虚拟实验系统设计的实验项目管理界面。
（二）GX Developer+Simulator的应用
虚拟PLC模块的实现是依靠三菱PLC软件GX Developer和GX Simulator来实现的。GX Developer主要提供PLC程序的图形化编辑平台，在GX Developer中可完成三菱全系列PLC的编程、监控、调试和维护工作，支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB编程。编写好的PLC控制程序通过调用GX Simulator实现已编控制程序的下载和虚拟PLC的模拟运行。梯形图的编写和虚拟PLC的模拟运行如图4所示。
（三）MX OPC Server的应用
虚拟PLC模块与组态王软件里的虚拟液压系统模块和虚拟操作台模块三者之间不能直接进行信号传输，它们之间通讯由MX OPC Server来完成。
1.MX OPC Server与虚拟PLC模块通讯。在MX OPC Configurator中通过建立虚拟实验系统通讯数据库来连接虚拟的PLC以及对虚拟PLC的输入、输出变量进行定义。在MX OPC Configurator中连接虚拟PLC（名称为XuNiPLC）及输入、输出变量的定义如图5所示。
2.MX OPC Server与组态王的通讯。首先在组态王软件的OPC服务器中选择由MX OPC Server提供的Mitsubishi.MXOPC.1OPC服务器；其次在组态王软件数据词典中建立相应的变量并与0PC服务器中虚拟的PLC对应的变量进行连接，同时可对变量的名称、类型、连接设备、采集频率以及寄存器和读写属性等进行设置。建立变量X6及OPC连接如图6所示。
三、液压系统PLC控制虚拟实验系统设计实例
机床工作台液压系统是比较典型的液压传动系统，几乎所有的液压传动教材都对其工作原理进行了详细介绍。因而机床工作台液压系统的PLC控制是液压专业学生学习液压系统微机控制课程最恰当、最适宜的液压系统PLC控制应用实例。
（一）机床工作台液压系统PLC控制原理
根据其液压工作原理和控制过程要求，对该液压系统的PLC控制进行PLC选型和端子分配，共需要8个输入点，6个输出点，选用三菱FX2N系列PLC可以满足上述需求，电路外部接线图如图7所示。具体控制过程如下：按下启动按钮SB3，电机带动液压泵启动；旋转开关QS2转到加压位置，电磁溢流阀线圈得电，液压泵加载给工作台供油；当QS1处于手动模式时按下左移按钮SB1，电磁换向阀线圈YA0通电，换向阀给液压缸右腔供油，液压缸带动工作台左移，当工作台左移碰触到行程开关SQ1后线圈YA0断电工作台停止左移；按下右移按钮SB2，电磁换向阀线圈YA1通电，换向阀给液压缸左腔供油，液压缸带动工作台右移，当工作台右移碰触到行程开关SQ2后YA1断电工作台停止右移；当QS1切换到自动模式时工作台自动执行上述左移、右移的动作；按下停止按钮SB4时所有电磁铁失电，油泵卸荷，工作台停止运动。
（二）机床工作台液压系统PLC控制虚拟实验系统的设计与运行
1.在组态王软件下依照机床工作台液压原理图和PLC控制接线图建立虚拟机床工作台液压系统和虚拟操作台，并用信号线将虚拟液压系统及虚拟操作台上的接线端子与PLC图片上的X、Y对应端子相连；把虚拟机床工作台液压系统和虚拟操作台的变量与组态王数据词典中已定义的变量进行关联。在组态王中建立的机床工作台虚拟实验系统如图8所示。
2.确保在OPC Server中建立的虚拟实验系统通讯数据库处于活动状态，同时运行GX Developer和组态王对机床工作台液压系统PLC控制过程进行虚拟实验。下面以手动左移为例，介绍控制信号的整个传输过程。当按下左移按钮时，控制信号流入PLC的X2端口；同时在GX Developer梯形图中X2接通，线圈Y0得电，PLC的Y0端口内部继电器闭合，控制信号从PLC的Y0端口流向电磁换向阀右电磁铁YA0，电磁铁得电给油缸右腔供油，工作台左移。此时组态王中PLC的端口X2、X4、X5、Y0、Y1、Y2、Y4处于高电平状态，相应的指示灯点亮，同时连接信号线变成红色表示有控制信号流过。操作台、液压系统和PLC之间的控制信号传输见图9所示，PLC内部梯形图概念电流流向如图10所示。
四、总结
本文将虚拟现实技术、计算机信息技术应用于液压系统微机控制课程的可视化虚拟实验教学中，其主要特色如下。
1.利用组态技术、虚拟现实技术和二、三维建模和动画制作技术，实现液压系统PLC控制从操作台操作到被控液压系统响应的整个控制动作全过程的可视化，同时实现虚拟实验台操作、梯形图运行、虚拟液压系统动作之间的实时全联动，将隐藏在整个控制系统硬件内部的控制信号相互作用和传递的全过程直观、形象、逼真、生动地显示出来，达到较好的教学试验与应用效果，同时加深学生对理论教学的理解。
2.虚拟教学实验系统在实验项目的设置上，既考虑我校液压学生毕业就业领域及非电类专业学生学习PLC控制的特点，又兼顾真实液压系统微机控制实际工程项目的设计开发流程，非常有针对性和实用性。
3.利用本虚拟教学实验系统，不仅可以开展虚拟被控对象（虚）+虚拟PLC（虚）模式实验，也可开展虚拟被控对象（虚）+实物PLC（实）模式实验，用PLC实物实验验证虚拟实验的正确性。
4.本虚拟实验系统具有开放性和极好的扩展性，后续可开发出其他被控系统（如水泵系统、风力机系统等）微机控制虚拟实验项目，可满足我校其他专业学生控制类课程的实验教学需求。
[ 参 考 文 献 ]
[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] 叶力.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.
[3] 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.
[4] 任丰兰.基于组态王和PLC的虚拟仿真教学实验系统的开发[J].机电工程技术，2012（3）：43-47.
[5] 陈海生.全虚拟PLC远程试验系统的研究与开发[J].自动化仪表，2013（3）：28-30.
[6] 魏列江.液压系统微机控制[M].北京：电子工业出版社，2014.
[责任编辑：陈 明]
[摘 要]为满足我校液压专业液压系统微机控制课程的理论和实验教学需要，可以设计一套液压系统PLC控制可视化虚拟教学实验系统。该系统可实现从虚拟操作台操作到PLC梯形图运行、电气元器件动作和虚拟液压系统动作的实时全联动，能够直观、逼真地显示真实液压系统微机控制中内部控制信号间相互作用和传递的全过程，解决学生学习过程中对隐藏于控制系统硬件内部的控制信号感觉抽象、难以理解的问题。
[关键词]液压系统；可视化；PLC；虚拟教学实验系统
[中图分类号] G642.423 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）09-0137-03
虚拟实验从20世纪80年代开始，在国外实验教学方面逐步得到应用和推广。国外的一些大学目前已经建立了较完善的虚拟实验室。国内开展虚拟教学实验起步较晚，高丽萍等在组态软件MCGS的基础上，研究提出了虚拟PLC系统的方案[1]；叶力等设计了基于GX与MCGS的全虚拟PLC控制系统，解决了GX与MCGS的通信问题[2]；王海涛等借助于易控组态软件，构建一种全虚拟PLC控制系统，以工业清洗机的控制系统为例，给出了全虚拟PLC系统应用的方法[3]；任丰兰开发了基于组态王和PLC软件虚拟仿真的教学实验系统，建立了虚拟仿真的教学实验系统的三个模型，并运用PLC和组态王软件对其进行了仿真[4]；陈海生等开发了一种面向全虚拟PLC的远程试验系统，模拟上下位机的实际PLC系统，并通过Web发布将平台与各个终端机相联实现资源的远程共享。[5]目前，国际和国内各高校所开发的虚拟教学实验系统存在以下主要问题。
1.开发的虚拟教学实验系统都是针对自己学校有关专业实验教学相配套的虚拟教学实验系统，通用性不强。
2.所开发的虚拟实验系统的实验过程，一般只包括在虚拟实验操作台上操作和对应操作下的虚拟被控对象的模拟动作显示，而隐藏在整个控制系统硬件里面的内部控制信号之间是如何传递、相互影响和作用等知识内容，在已有的虚拟实验系统中都无法表示出来，而且这些知识内容即使真实的液压系统微机控制实验设备实验时也无法直观看到和学到。但是这些知识内容却是学习液压系统微机控制的关键核心内容，也是学生在学习液压系统微机控制课程中感觉抽象、无法理解的东西。为了解决这些问题，本项目组设计了一套液压系统PLC控制可视化虚拟教学实验系统。
一、虚拟教学实验系统方案
本虚拟教学实验系统方案由虚拟液压系统模块、虚拟操作台模块、虚拟PLC模块、通讯模块、实验管理模块五部分构成。
其中虚拟液压系统模块用来模拟各种真实的液压系统在控制信号作用下的控制动作过程；虚拟PLC模块通过在计算机中模拟一套真实的PLC，对编写的控制程序进行下载和运行的实时监控；虚拟操作台模块是用来模拟真实控制系统操作台上的各种按钮，开关来接收实验操作者的输入指令；通讯模块用来实现虚拟PLC模块、虚拟操作台模块和虚拟液压系统模块三者之间的信号通讯，实现操作者操作、PLC控制和被控液压系统之间的实时全联动；实验管理模块主要负责实验操作者登录、实验项目调用、实验数据处理、打印等工作。
二、虚拟实验系统各模块的实现
本虚拟实验系统各个模块的功能是依靠计算机上安装的组态王组态软件、三菱PLC编程软件GX Developer、三菱PLC仿真软件GX Simulator和提供OPC服务的MX OPC Server等软件来实现的。
（一）组态王软件的应用
1.建立虚拟液压系统模块。可通过Flash动画制作软件或Pro/E三维设计软件建立虚拟二维或三维液压系统动作模型，在组态王软件中根据虚拟PLC输出控制信号进行相应动作的编程调用。图1为在Pro / E中设计的液压振动台三维模型。
2.建立虚拟操作台模块。在组态王的画面设计中通过调用图库中的各种按钮、开关、指示灯等来搭建与真实电气控制操作台功能相同的各种类型虚拟操作台。图2为建立的虚拟操作台的工作界面。
3.建立实验管理模块。实验管理模块是在组态王软件下根据不同的实验调用相对应的实验操作台模块和虚拟液压系统模块来模拟虚拟液压系统PLC控制的实验过程和实验结果。图3是为本虚拟实验系统设计的实验项目管理界面。
（二）GX Developer+Simulator的应用
虚拟PLC模块的实现是依靠三菱PLC软件GX Developer和GX Simulator来实现的。GX Developer主要提供PLC程序的图形化编辑平台，在GX Developer中可完成三菱全系列PLC的编程、监控、调试和维护工作，支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB编程。编写好的PLC控制程序通过调用GX Simulator实现已编控制程序的下载和虚拟PLC的模拟运行。梯形图的编写和虚拟PLC的模拟运行如图4所示。
（三）MX OPC Server的应用
虚拟PLC模块与组态王软件里的虚拟液压系统模块和虚拟操作台模块三者之间不能直接进行信号传输，它们之间通讯由MX OPC Server来完成。
1.MX OPC Server与虚拟PLC模块通讯。在MX OPC Configurator中通过建立虚拟实验系统通讯数据库来连接虚拟的PLC以及对虚拟PLC的输入、输出变量进行定义。在MX OPC Configurator中连接虚拟PLC（名称为XuNiPLC）及输入、输出变量的定义如图5所示。
2.MX OPC Server与组态王的通讯。首先在组态王软件的OPC服务器中选择由MX OPC Server提供的Mitsubishi.MXOPC.1OPC服务器；其次在组态王软件数据词典中建立相应的变量并与0PC服务器中虚拟的PLC对应的变量进行连接，同时可对变量的名称、类型、连接设备、采集频率以及寄存器和读写属性等进行设置。建立变量X6及OPC连接如图6所示。
三、液压系统PLC控制虚拟实验系统设计实例
机床工作台液压系统是比较典型的液压传动系统，几乎所有的液压传动教材都对其工作原理进行了详细介绍。因而机床工作台液压系统的PLC控制是液压专业学生学习液压系统微机控制课程最恰当、最适宜的液压系统PLC控制应用实例。
（一）机床工作台液压系统PLC控制原理
根据其液压工作原理和控制过程要求，对该液压系统的PLC控制进行PLC选型和端子分配，共需要8个输入点，6个输出点，选用三菱FX2N系列PLC可以满足上述需求，电路外部接线图如图7所示。具体控制过程如下：按下启动按钮SB3，电机带动液压泵启动；旋转开关QS2转到加压位置，电磁溢流阀线圈得电，液压泵加载给工作台供油；当QS1处于手动模式时按下左移按钮SB1，电磁换向阀线圈YA0通电，换向阀给液压缸右腔供油，液压缸带动工作台左移，当工作台左移碰触到行程开关SQ1后线圈YA0断电工作台停止左移；按下右移按钮SB2，电磁换向阀线圈YA1通电，换向阀给液压缸左腔供油，液压缸带动工作台右移，当工作台右移碰触到行程开关SQ2后YA1断电工作台停止右移；当QS1切换到自动模式时工作台自动执行上述左移、右移的动作；按下停止按钮SB4时所有电磁铁失电，油泵卸荷，工作台停止运动。
（二）机床工作台液压系统PLC控制虚拟实验系统的设计与运行
1.在组态王软件下依照机床工作台液压原理图和PLC控制接线图建立虚拟机床工作台液压系统和虚拟操作台，并用信号线将虚拟液压系统及虚拟操作台上的接线端子与PLC图片上的X、Y对应端子相连；把虚拟机床工作台液压系统和虚拟操作台的变量与组态王数据词典中已定义的变量进行关联。在组态王中建立的机床工作台虚拟实验系统如图8所示。
2.确保在OPC Server中建立的虚拟实验系统通讯数据库处于活动状态，同时运行GX Developer和组态王对机床工作台液压系统PLC控制过程进行虚拟实验。下面以手动左移为例，介绍控制信号的整个传输过程。当按下左移按钮时，控制信号流入PLC的X2端口；同时在GX Developer梯形图中X2接通，线圈Y0得电，PLC的Y0端口内部继电器闭合，控制信号从PLC的Y0端口流向电磁换向阀右电磁铁YA0，电磁铁得电给油缸右腔供油，工作台左移。此时组态王中PLC的端口X2、X4、X5、Y0、Y1、Y2、Y4处于高电平状态，相应的指示灯点亮，同时连接信号线变成红色表示有控制信号流过。操作台、液压系统和PLC之间的控制信号传输见图9所示，PLC内部梯形图概念电流流向如图10所示。
四、总结
本文将虚拟现实技术、计算机信息技术应用于液压系统微机控制课程的可视化虚拟实验教学中，其主要特色如下。
1.利用组态技术、虚拟现实技术和二、三维建模和动画制作技术，实现液压系统PLC控制从操作台操作到被控液压系统响应的整个控制动作全过程的可视化，同时实现虚拟实验台操作、梯形图运行、虚拟液压系统动作之间的实时全联动，将隐藏在整个控制系统硬件内部的控制信号相互作用和传递的全过程直观、形象、逼真、生动地显示出来，达到较好的教学试验与应用效果，同时加深学生对理论教学的理解。
2.虚拟教学实验系统在实验项目的设置上，既考虑我校液压学生毕业就业领域及非电类专业学生学习PLC控制的特点，又兼顾真实液压系统微机控制实际工程项目的设计开发流程，非常有针对性和实用性。
3.利用本虚拟教学实验系统，不仅可以开展虚拟被控对象（虚）+虚拟PLC（虚）模式实验，也可开展虚拟被控对象（虚）+实物PLC（实）模式实验，用PLC实物实验验证虚拟实验的正确性。
4.本虚拟实验系统具有开放性和极好的扩展性，后续可开发出其他被控系统（如水泵系统、风力机系统等）微机控制虚拟实验项目，可满足我校其他专业学生控制类课程的实验教学需求。
[ 参 考 文 献 ]
[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] 叶力.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.
[3] 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.
[4] 任丰兰.基于组态王和PLC的虚拟仿真教学实验系统的开发[J].机电工程技术，2012（3）：43-47.
[5] 陈海生.全虚拟PLC远程试验系统的研究与开发[J].自动化仪表，2013（3）：28-30.
[6] 魏列江.液压系统微机控制[M].北京：电子工业出版社，2014.
[责任编辑：陈 明]
