科技与创新┃Science and Technology&Innovation2023年第02期文章编号：2095-6835（2023）02-0172-03
三菱FX系列PLC仿真教学系统的设计及通讯构建
王宝林
（肇庆市工程技术学校，广东肇庆526070）
摘要：介绍了利用组态软件、PLC模拟控制器构建的PLC仿真教学系统，实现仿真教学系统脱离真实PLC运行。Factory IO是一款优秀的可搭建工业控制系统的虚拟仿真软件，通过研究了三菱编程软件GX-works2、PLC模拟控制器、KingView工控软件、Factory IO之间的通讯建立，从而构建了一套虚实结合方便实用的PLC仿真教学系统，非常适用于线上线下混合教学方式的编程学习。
关键词：Factory IO；Modbus TCP；三菱PLC仿真；虚拟串口通信
中图分类号：TP273文献标志码：A DOI：10.15913/jki.kjycx.2023.02.049
本文介绍有关三菱系列PLC仿真教学系统构建，仿真系统组成如图1所示，分为3个部分，第一部分是基于组态软件开发的并结合实训设备厂商设备的虚实结合的仿真系统，适合在校学生的教学；第二部分是
在前面虚实结合的仿真实训系统基础上，利用PLC 仿真器和虚拟串口结合，使之成为完全脱离硬件的全虚拟系统，适合线上教学过程中没有硬件系统的学员编程学习；第三部分是通过构建Factory IO虚拟工厂与三菱系列PLC的通讯，构建三菱系列虚拟工厂PLC 实训系统，组态软件此时作为虚拟工厂实训系统的人机界面，拓展虚拟工厂实训系统的功能，内容适合高职学生学习以及做毕业设计。
图1仿真系统通讯方式及组成框图
1基于KingView组态软件的虚实结合PLC仿真教学系统
组态软件KingView具有成熟的IO接口设备驱动，可以与各类型PLC进行通讯，PLC内部各种继电器的状态可以与组态软件数据库中数据的链接，这些数据又与界面上显示的图形对象有关联，利用组态软件三维虚拟空间进行设计，可以模拟出多种PLC控制场景[1]。本例中，将近40个PLC控制场景集合在KingView的同一组态工程，通过实训项目选择菜单页面方便地切换各个实训场景，使用非常方便。实训项目根据实训室真实的被控对象开发，如抢答器、机械手、交通灯、四层电梯、YL-235分拣机构、立体仓库等，学生完成编程后，下载至PLC，由真实PLC控制仿真场景的运行。在仿真系统中完成编程调试后，也可以通过PLC的IO端口直接连接设备厂商真实被控对象，进行PLC外围电路安装调试练习。图2是为YL-235设备开发的实训场景，用仿真实训场景可以完成整个YL-235设备程序初步调试工作，连接真实YL-235设备时，只需微调程序即可，实训设备多数时间只用于接线安装练习，这样可以
较好地解决工位不足的问题。在连接真实外围设备运行时，组态画面可以实现真实被控模型同步运行，可以起到监视以及输入控制的作用，这种虚实结合的仿真教学系统非常适合在校生PLC
课程的学习。
图2虚实结合的YL-235分拣系统
2基于KingView组态软件的仿真教学系统全虚拟方式的实现
在开展线上教学时，线上学习的学员们常会因为没有PLC硬件设备，没办法跟着教师进行PLC课程编程设计学习，所以下面介绍完全脱离硬件的全虚拟仿真系统实现。
脱离PLC硬件，程序的运行需要仿真器，三菱
虚拟串口通讯
虚拟串口
通讯物理串口物理串口
I/O串口
虚拟工厂应用
时作为HMI界面
Modbus
TCP/IP
GX-works2GX-works2
Science and Technology&Innovation┃科技与创新2023年第02期
GX-works2自带的仿真器有很难跟第三方软件通讯的缺点，本例中采用了凌—PLC模拟器来实现PLC模拟运行。凌—PLC模拟器是一款针对三菱FX系列PLC 设备制作的一款免费的模拟软件。凌—PLC模拟器要求系统中需要安装Microsoft.Framework net4.6.2及以上版本运行库，另外需安装虚拟串口软件，本例中安装了VSPD虚拟串口软件。该模拟器能够模拟PLC 设备的运行控制操作，PLC模拟器与PLC实体PLC 实现代码完全一致。另外具有强大的Modbus通信功能，高速脉冲模拟功能，模拟量控制仿真功能。程序运行过程中可非常方便地对软元件监视、置位、数值输入等操作，比GX-works2仿真器更方便。但凌—PLC模拟器不支持Q系列PLC、不支持标签结构化编程的仿真。
通讯连接设置如图3所示，PLC模拟器有2组串行通讯接口与外界通讯，一组是下载口，一组是扩展通讯口。这里用了下载口虚拟串口（COM10）与GX-works2通讯，通过扩展通讯虚拟串口（COM2）与KingView组态仿真系统通讯。所有的PLC下载以及监视等过程均与实际PLC操作一致，程序运行时不
需要启动三菱编程软件的模拟运行，打开PLC模拟器的运行按键即可，运行效果与真实PLC 效果一致。
图3凌—PLC模拟器通讯端口连接图
虚拟串口软件的安装使用：VSPD（Virtual Serial Ports Driver）虚拟串口软件是由Eltima软件公司设计的虚拟串口软件，使用方便且稳定。VSPD会自动识别出本台计算上有几个物理串口，并可以添加虚拟端口。虚拟端口一定是成对出现的。在这里虚拟了2对虚拟串口，COM10和COM11为一对，COM10已设置连接PLC模拟器，Gx-works2编程软件选择COM11。它们通过这一对虚拟串口建立通讯，此时程序写入和运行都是在PLC仿真器里进行。Gx-works2编的程序如果需要写入实物PLC，则要选择物理串口COM3。另外一对虚拟串口为COM1和COM2，其中COM2已连接PLC模拟器，组态软件的仿真系统通讯接口则选择COM1，PLC模拟器通过这一对虚拟串口通讯。组态仿真系统如果是连接实物PLC的控制系统，则需要选择物理串口。虚拟串口的设置如图4所示。
KingView的通讯参数设置：设置连接FX系列编程口，端口号COM1，波特率9600，数据位7，停止位1，偶校验。GX-works2设置端口号COM11同样的通讯参数。编程软件、PLC仿真器，KingView仿真教学系统工程通过2对虚拟串口相互通讯。通过PLC模拟器控制虚拟的仿真系统，可以让教学系统完全脱离硬件，实现了只需计算机就可以实现随时随地编程学习。如图2中的YL-235分拣系统以及图5的立体仓库系统，既可连接实际硬件设备安装调试，也可以完全
脱离工控硬件设备进行程序编写与调试学习。
图4
虚拟串口的设置
图5立体仓库全虚拟系统运行
33D虚拟工厂通信实现以及在整个仿真系统中的结合应用
Factory IO是一款蕴含了工业系统搭建、PLC编程PLC控制系统调试等技能训练的PLC交互式教学仿真软件，允许用户通过拖拽的方式简单快捷地创建3D工业系统。此系统可被各种外部技术控制，成为一个虚拟的被控对象，是一款非常好的开展PLC技术专业课教学、实训的辅助工具[2]。Factory IO可以较好地跟西门子博途软件兼容，其驱动可以直接选择连接西门子系列PLC，这款工业系统虚拟软件在西门子系列PLC 教学中应用比较广泛，但在三菱系列PLC教学中应用案例极少。主要原因是三菱PLC与Factory IO的通讯问题，三菱GX自带仿真器极难与第三方软件通讯。
这里提供了一种解决方案，不使用GX仿真器，利用MODBUS/TCP协议使凌—PLC仿真器与Factory IO建立通讯。MODBUS/TCP是作为一种（实际的）自动化标准发行的，Modbus协议是一种已被广泛应用于当今工业控制领域的通用通讯协议，通过此协议，控制器相互之间或控制器经由网络（如以太网）可以和其他设备之间进行通讯[3]。PLC模拟器自带Modbus TCP通讯功能，可通过该协议访问到三菱PLC所有内
连接GX-works2
部软元件。Factory IO 驱动选择Modbus TCP 这项内容，可通过Modbus TCP 通讯协议与仿真器建立通讯，从而实现三菱系列PLC 通过Factory IO 进行工业控制系统的编程训练。
PLC 模拟器端具体设置：TCP 端口选择502，并打开侦听，如图3所示。
三菱PLC 软元件在Modbus 访问对应的地址编号如表1所示。
表1
三菱PLC 软元件在Modbus 访问对应的地址编号
寄存器访问数值型Modbus 功能号下架滴滴出行
3.4.6.16Modbus 地址（十进制）
位元件开关型Modbus 功能号1.2.5.15Modbus 地址（十进制）D0～D79990～7999S0～S9990～1023D8000～D8*******～8255X0～X3771024～1279T0～T25512288～12543Y0～Y3FF
1280～1535C0～C19916384～16583T0～T255（输出状态）
1536～1791C200～C25516584～16695M0～M1535
2048～3583S0～S9*******～32831C0～C255（输出状态）
3584～3839X0～X37732832～32847M8000～M8255
隆鑫gp1503840～4095Y0～Y377
32848～32863X0～X377（Modbus TCP 可改输入状态）
61440～61695T0～T255（输出状态）
32864～32879M0～M1535
32896～32991AD 输入61440～61449C0～C255（输出状态）
32992～33007DA 输出61504～61513M8000～M8255
33008～33023
脉冲输出数量
61568～61599
Factory IO 的设置：Modbus TCP/IP 中，服务器是从机，而客户端是主机，这里Factory IO 作为服务器，端口驱动选择Modbus TCP/IP Client ，因为通讯回路都是本机，所以主机IP 地址设置为127.0.0.1本地回环地址，从站ID 选择
1，端口选择502。
以Factory IO 实训场景物料称重分拣系统为例，阐述具体场景端口设置过程：称重分拣系统分别需要用到14个输入和14个输出端口，这个例子中分配了三菱PLC 的M0～M13作为传感器检测和控制信号输入，因为X 输入端正常情况下不能改写输入状态，即使用了在Modbus TCP 下可以改写的端口，还是会出现X 端子信号不能稳定置1的情况。虚拟系统的编程调试过程中输入端子用M 端代替更合适。查询三菱PLC 软元件位元件在Modbus 对应地址，如表1所示，位元件M0的Modbus 地址为2048，在Factory IO 驱动设置页面点击配置，在服务器端口设置时设置数字输入偏移地址为2048，计数14，这样就添加了M0～M13共14个位元件到输入端口。查询表1中位元件Y0对应Modbus 地址为1280，设置数字输出偏移地址为1280，计数14，这样就添加了Y0～Y15到输入端口。如需增加重量分类的工件计数数据，需添加输出数据寄存器4个，可选择寄存器偏移地址0，计数4，这样就添加了D0～D3到寄存器输出端口。对于虚拟工厂输出的AD 信号，例如称重数据信号，可以选择AD 输入，例如选择第2路输入则偏移地址选择61441，三菱编程程序中可通过WR3A K0S1S2指令调整模拟量的值，参数S1表示模拟通道（需要乘以10），S1表示模拟量的值。例如对第2路模拟信号的通道里面的数据，可以用WRD3A K0K10D0、WR3A K0K10D0读写。如果为了编程更方便，称重数据信号也可以直接连接普通寄存器，比如D4，这样数据不需要AD 读写指令可直接调用。
完成通讯设置后，虚拟PLC 仿真器通过虚拟串口、Modbus TCP 通讯，连接了编程软件、组态软件、Factory IO 虚拟工厂软件，建立稳定的通讯。组成一套使用方便的全虚拟仿真教学系统。在此仿真系
统中，组态软件可以作为Factory IO HMI 界面，作为控制信号的输入、系统状态指示、监控等，扩展Factory IO 功能。例如虚拟工厂的仓库系统，需要一个仓位操作和仓位存货状态显示的人机界面，这时可以用组态软件对这个操作界面进行开发，在组态软件的仿真系统中新增一个仓储系统的人机界面，如图6所示。程序调试运行时，可以利用这个界面操作Factory IO 的立体仓储系统，如图7所示。虚拟工厂的其他应用场景中，也可以用组态软件开发相应的页面，对虚拟工厂各个实训场景的进行状态监控和数据统计分析，使得Factory IO 功能更完善。太原车展
图6组态软件制作的虚拟工厂HMI 界面
（下转第178页）
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作者简介：仲思柏（1987—），男，四川苍溪人，工程师，主要从事钻探生产管理工作。
（编辑：严丽琴）
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图7虚拟工厂立体仓库编程调试场景
4结束语
本文介绍了三菱PLC仿真系统，通过对编程软件、PLC模拟器、组态软件、虚拟工厂的通讯研究，可以灵活组合得到不同的应用场景，可以针对不同的教学场合使用不同的实训功能，可对接实物教学设备，也可全虚拟应用，可以进行人机界面的开发，也可以进行工业控制系统设计、编程调试，使不同的学习层次
学生都能到相应的学习内容，只要对实训项目内容加以完善，便可以成为一套非常完备的仿真教学系统。参考文献：
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作者简介：王宝林（1979—），男，湖南武冈人，工学硕士，广东省肇庆市工程技术学校电子电工高级讲师，研究方向为工控虚拟仿真教学。
（编辑：张超）