可视化虚拟PLC实验软件设计与制作

程松涛 刘欣欣

（郑州煤炭工业技师学院，郑州 450000）

可视化虚拟PLC实验软件设计与制作

程松涛 刘欣欣

（郑州煤炭工业技师学院，郑州 450000）

在矿山PLC操作训练中，搭建真实的实验环境是非常困难的，本文介绍了使用计算机技术和多媒体技术搭建虚拟实验环境进行PLC培训操作训练。

VC++Flash 串口通信

引言

随着PLC在我国各行业的大力应用和快速发展，作为煤矿行业技师学院，承担了煤矿工人的培训工作，其中PLC的设计、安装、维护的培训日益显出其重要性。

PLC是一门实验性很强的课程，实验是辅助课堂教学的重要环节，PLC实验要让学生了解各种工业控制流程，针对各种控制对象，验证学生所编制的PLC程序是否正确，但是，由于受到场地，经费等诸多客观条件的限制，不可能在实验室中配置完备的工业控制对象，因此制约了PLC实验的数量和质量。为了解决这些问题，可以充分利用计算机技术，在计算机中构造虚拟控制对象，通过计算机实现PLC虚拟实验。

本文采用计算机技术和多媒体技术，建立虚拟工业控制环境，开发一个PLC虚拟可视化实验系统，该系统利用多媒体技术建立工业控制环境，使用串口通讯技术连接PC控制虚拟设备运动，使用一台PC就可以模拟各种工业控制设备。该系统的另外一个特点是通过逼真的工业控制对象和丰富的交互操作使学生具有更强的真实感和沉浸感。

这种基于多媒体技术的可视化的实验平台能直观、逼真地贴近工业控制实践，有利于提升学生的实践能力，同时大大降低PLC实验的费用。

1 系统总体框架

本系统以三菱FX1N系列PLC为基础，采用计算机技术和多媒体技术，创建虚拟工业控制对象和设备环境，通过真实PLC运行程序，将控制信号发送到虚拟控制环境中，虚拟控制环境根据控制信号控制虚拟工业控制对象运动，通过观察运动结果来调试程序，从而达到PLC实验教学的目的，本系统的总体框架和解决方案如图1所示。

图1 系统总体框架

由图1可知，整个系统分为以下三个功能模块。

（1）真实PLC模块。以三菱FX1N系列的PLC为基础，运行各种控制程序。

（2）仿真实验模块。用二维图形代表被控工业对象，通过图形的变化显示控制程序的运行结果。

（3）通讯模块。实现PLC和虚拟控制对象之间的通讯，使虚拟PLC的控制信号能够准确、快速地传递给虚拟控制对象。

2 通讯模块

通讯模块实现虚拟PLC与虚拟环境间的信息传递，这个过程主要是使用VC++编程语言编写的串行口通讯程序实现同硬件PLC的编程口进行通讯。

2.1 PLC编程口命令操作

（1）PLC串口设置。三菱PLC默认的串口通信设置为：数据位7位，停止位1位，波特率9600b/s,偶校检。

（2）PLC通讯命令。在与PLC通讯时，十六进制数02H为STX代表报文开始，03H为ETX代表报文结束，O5H为ENQ代表请求，06H为ACK代表PLC正确响应，15H为NAK代表PLC错误响应。对PLC操作命令主要有四个，分别为“读”、“写”、“强制ON”、“强制OFF”。其命令代码如下所示

读：45H 30H

写：45H 31H

强制ON：45H 37H

强制OFF:45H 38H

（3）握手连络。在每进行上述四种操作命令前，还要进行“握手连络”，即PC对PLC发送请求通信信号FNQ（代码为05H），等待约0.1s(根据计算机具体情况设置)，然后读PLC返回的响应信号，如果读到的响应信号为ACK（代码为06H），则表示PLC已经准备就绪，等待接收通信数据，否则收到NACK（代码为15H）,PLC没有正确响应，则终止本次通信。

（4）通信实例。通信报文的构成由请求、开始、数据、停止、和校验组成，其中数据部分由命令、操作元件地址、数目、数据四部分组成，根据命令不同，具体报文组成有所差异，“强制ON”和“强制OFF”数据部分只由命令和操作元件地址组成，“写”命令数据部分由命令、操作元件地址、数目、数据组成，“读”命令数据部分由命令、操作元件地址、数目组成。

和校验是取报文中的数据部分与停止相累加，取其和最低两位转化为ASCII码，高位先发，低位后发。

现通过一个实例简要介绍通信报文的构成，例如：强制Y01为ON,命令的十六进制代码如下所示：

05H 02H 45H 37H 30H 31H 30H 43H 03H 35H 33H

05H代码为FNQ请求

02H代码为STX开始

45H 37H强制ON命令代码

30H 31H 30H 43H操作元件地址，其中输出寄存器Y01的寄存器地址：0C01H，转化为ASCII码为30H、43H、30H、31H，对于2B的寄存器地址采取低字节先发，高字节后发，所有最后操作元件地址为30H、31H、30H、43H。

03H代码为ETX结束

5H 33H为和校验，45H+37H+30H+31H+30H+43H+03H= 0153H,高字节溢出，低字节为53H,转化为ASCII码为35H、33H。

3 仿真实验模块

仿真实验模块采用多媒体技术，主要使用FLASH制作软件制作相应的工业设备控制对象和虚拟生产环境，利用变量的变化控制工业设备的工作状态。充分利用FLASH软件的多媒体制作和显示交互功能，可以制作逼真的工作环境，模拟工业设备的控制状态。在VC++平台下使用shockwave flash object控件同FLASH动画交互。

在虚拟工业环境动画中，所有虚拟工业设备都被设计为动画元件，工业设备的不同状态由变量值控制。主场景文件设计为三帧动画。第一帧初始化各种变量，并使用ExternalInterface.addCallback函数把能被外部函数调用函数注册并跳转至第二帧停止。第二帧为主场景，虚拟工业环境和虚拟工业设备都放置在此帧上。第三帧为结束帧释放各种变量，显示结束标志并结束程序运行。

Shockwave flash控件可以在Windows平台下播放FLASH动画，同FLASH动画进行信息交互。在VC++平台下操作如下所示：

（1）添加Shockwave flash控件类，在对话框界面上添加Shockwave flash控件，定义Shockwave flash控件变量。

（2）在对话框的InitDialog函数中使用Shockwave flash控件的LoadMovie函数和Play函数播放工业环境动画。

（3）使用Shockwave flash的FSCommand消息函数实现虚拟工业设备控制PLC状态。

（4）使用Shockwave flash控件的CallFunction函数实现PLC状态向虚拟工业设备的状态的传递。

4 结束语

计算机信息技术和多媒体技术应用于可视化虚拟PLC实验教学中,其特色和创新点如下：

（1）利用多媒体技术,实现对工业控制过程的可视化仿真,使可视化PLC实验系统具有很强的真实感和沉浸感；

（2）在虚拟环境中,实现PLC和虚拟控制对象之间的通讯和控制,使可视化PLC实验具有实时的人机交互。

[1]张学军、唐久磊.基于Flash3D的中学化学虚拟实验平台的设计与实现电化教育研究2014.1.

[2]秦兵、何汉武.可视化虚拟PLC实验系统的研究现代制造工程2009.1.

[3]孙鑫、余安萍.VC++深入详解[M].北京:电子工业出版社, 2006.

[4]严蔚敏,吴伟民.数据结构[M].北京:清华大学出版社,1997.

Design and Manufacture of Virtual PLC Experiment Software Visualization

CHENG Songtao,LIU Xinxin
（Zhengzhou Coal Industrial Technician College,Zhengzhou 450000）

In mine PLC operation training, building a realexperimental environment is very difficult. This paper introduces theset-up of a virtual experimental environment for the conduct of PLCtraining operation training in the use of computer technology andmultimedia technology.

VC++,Flash,serial communication