启闭机全虚拟仿真监控平台开发

游张平，方 征，李天成

（1.丽水学院工学院，浙江丽水323000；2.丽水市电业局，浙江丽水323000）

启闭机全虚拟仿真监控平台开发

游张平1，方 征2，李天成1

（1.丽水学院工学院，浙江丽水323000；2.丽水市电业局，浙江丽水323000）

针对启闭机监控系统调试工作存在成本高、耗时长、效率低等缺点，基于虚拟仿真技术，研发了一套启闭机全虚拟仿真监控平台。给出了平台的系统组成与运行原理，设计了监控组态界面，编写了脚本代码，建立了虚拟启闭机与虚拟PLC控制器的通信，进行了仿真调试。实际应用结果表明：该平台无需实际的启闭机物理控制对象，也不必受水库与气候环境等自然环境的约束，便可实现对启闭机监控程序的调试运行，克服了真实被控对象的缺点，大大降低系统调试的成本与风险。

PLC；组态监控；调试实验；虚拟仿真

启闭机作为水库和水电站闸门的起吊设备，是防洪泄洪的关键设备，在水利水电工程安全、稳定运行中发挥着极其重要的作用[1-2]。启闭机控制系统的调试工作是闸门能够准确、稳定、可靠运行的关键[3-5]。传统在现场水库或水电站环境下的启闭机调试工作受气候环境、硬件本体等因素约束，存在成本高、耗时长、效率低等缺点。本文借助虚拟仿真技术，设计并开发了一套启闭机全虚拟仿真监控平台，可以脱离闸门启闭机与PLC控制器等真实物理对象进行仿真运行与调试工作。对启闭机监控系统的开发与调试工作，不必受水库与气候环境等自然环境的约束，大大降低系统调试的成本与风险。

1 启闭机全虚拟仿真监控平台的组成及运行原理

启闭机全虚拟仿真监控平台主要由虚拟PLC、虚拟启闭机与虚拟通讯系统构成，分别由GX Developer编程软件与GXSimulator仿真软件、MCGS组态软件，以及MXOPCServer软件等来构建，如图1所示。

其中，被控对象虚拟启闭机通过MCGS组态软件构建，虚拟PLC控制器由GX Simulator仿真软件构建；虚拟启闭机与虚拟PLC控制器之间的通讯通过MXOPC服务软件来实现。当操作虚拟启闭机界面上的输入元件（如按钮或开关）或通过变量的动态变化模拟气候变化时，虚拟PLC控制器便通过MX OPC Server软件获得相应输入元件的状态变化，通过执行PLC程序得到各输出元件的输出状态，并通过MX OPCServer软件执行输出刷新，虚拟启闭机则执行相应的刷新动作。当虚拟启闭机的动作与预期的不一致时，便可不断修改程序，直至完全一致为止，从而实现启闭程序的调试工作不必受到启闭机、PLC控制器等硬件与气候条件的约束。

图1 启闭机全虚拟仿真监控平台

2 启闭机控制系统全虚拟调试实验平台构建

2.1 水闸启闭PLC控制程序开发

根据某小型水库电气控制要求，综合分析确定，系统至少需要8个输入点和5个输出点，如表1所示。为预留一定的I/O点裕度，这里选用PLC型号为FX2N-32MR。

表1 I/O地址分配表

限于篇幅，以水闸高低速人工转换控制为例，介绍PLC梯形图控制程序开发。当系统处于人工控制阶段时，按下正转按钮，上升行程开关运行，按下低速按钮时，水闸低速上升，当按下中速按钮时，低速关闭，水闸中速上升，按下高速按钮时，水闸高速上升，如图2所示。

图2 水闸高低速人工转换控制梯形图程序

2.2 虚拟水库构建

点击“主控窗口”的“新建窗口”，建立并编辑窗口。在编辑虚拟水库界面时，可以在工具箱中通过导入自带的元器件来进行编辑。也可以通过工具箱自己绘图，最终建立好的虚拟水库界面，如图3所示。

图3 虚拟水库界面

动画连接：为体现水库闸门和水位上升、下降等动作，需要设置图3中的水库水面和闸门等部件的动画组态属性设置。以蓄水和闸门下降为例，设置操作如下：双击“闸门”，勾选“垂直移动”，在“垂直移动”选项卡，设置数据变量b，设置最大移动量、最大百分比、最小移动量及最小百分比分别为100、100、0、0。编写闸门下降移动脚本程序如下，当水位在安全水位以下时，水闸开始低速下降，当水闸闭合时，水位开始缓慢上升，系统开始蓄水：

3 通信设置

在 MX OPC Server中设置“ PC side I/F”为“GX Simulator”、“CPU type”为“FX2N(C)”，并将变量与虚拟PLC的I/O口一一对应，如变量I_X1对应PLC的x1输入端口等；在MCGS中设置OPC服务器为“Mitsubish.MXOPC.4，建立通信连接，如图4所示。

图4 通信设置

4 虚拟调试

依次启动GXDeveloper、GXSimulator、MXOPCServer、MCGS，操作虚拟水库界面上的按钮或开关，观察水库水面和闸门的移动及指示灯颜色的变化等。如果虚拟启闭机闸门的动作与预期的不一致时，便可不断修改程序，直至完全一致为止，从而实现启闭程序的调试工作，不会受到启闭机、PLC控制器等硬件与气候等其它条件的影响。

5 结论

（1）将全虚拟仿真技术应用于启闭机控制系统的调试中。构建的全虚拟调试平台无需实际的闸门启闭机物理控制对象，也不必受水库与气候环境等自然环境的约束，便可实现对启闭机监控程序的运行调试，降低调试的成本与风险。

（2）该平台除了应用于工程生产实践外，还可应用于“可编程控制器”“工控组态软件”等相关课程的教学，作为学生形象生动的教学案例，解决实验控制对象不足、程序运行结果抽象等问题，促进学生学习兴趣和创新能力的提高。

［1］陈林.自动化控制在启闭机电控的应用［J］.企业技术开发，2012（23）：47.

［2］李怀玉.闸门启闭机运行与管理［J］.河南水利与南水北调，2014（24）：55.

［3］查六一，邵建龙，周玉岩，等.基于S7-200PLC的闸门卷扬启闭机的控制系统设计［J］.水电能源科学，2010（3）：127.

［4］卢俊.闸门启闭机电气控制系统实施PLC改造方案分析［J］.中国高新技术企业，2015（13）：27.

［5］王超，彭翔鹏，吴铮.泄水闸弧门启闭机控制系统运行安全分析与改造：以汉江兴隆水利枢纽为例［J］.人民长江，2015（9）：91.

The Development of Full-Virtual Simulation Monitoring Platform of Hoist

YOUZhangping1，FANGZheng2，LI Tiancheng1
（1.FacultyofEngineering，Lishui University，Lishui 323000，Zhejiang；2.Lishui Electric Power Bureau，Lishui 323000，Zhejiang）

Considering the high cost and poor efficiency of hoist monitoring system debugging,full-virtual simulation monitoring platform was developed，based on virtual simulation technology.The composition and the operating principle were given，the monitoring configuration interface was designed，the script code was compiled，the communication between virtual hoist and virtual PLC was established，and the simulation system was debugged.The results of the practical application show that the platform can debug hoist monitoring program without actual hoist and won’t suffer from the restraints of climatope，and thus greatly reduce the cost and risk of system debugging.

PLC；configuration monitoring；experiment teaching；virtual simulation

10.3969/j.issn.2095-3801.2017.05.015

TP391.9

A

2095-3801（2017）05-0088-05

2017-01-22；

2017-02-27

浙江省公益技术应用研究项目“金属带锯床实时在线状态监控与故障诊断系统研发及应用”（2016C31053）；丽水市高层次人才培养项目“内嵌于现场控制系统的带锯床振动故障检测技术研究及应用”（2015RC28）；浙江省大学生科技创新活动计划项目“摆动尖顶推杆盘形凸轮机构CAD系统开发”（2016R431002）

游张平，男，福建寿宁人，副教授，博士。