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【技术向】搭建虚拟工控环境,西门子PLC研究报告
2021-07-07 09:39:05

一.  SIMATIC WinAC工控虚拟环境简介

研究对象简介:

目前主流PLC供应商都推出自己的软件PLC系列 如:西门子的WinAC、Beckhoff的TwinCAT、ab的SoftLogix系列等。本案西门子采用西门子WinAC RTX软PLC系列搭建工控虚拟。

SIMATIC WinAC是西门子公司开发的基于PC控制的核心组件,它的出现扩展了SIMATIC S7的控制范围。WinAC 是一个名副其实的控制中心,它将PLC控制、数据处理、通讯、可视化及工艺集成于一台PC机上。

SIMATIC WinAC产品包括软件型和插槽型两大类,包括如下5种产品:

1. WinAC Basis (WinAC 基本型)

WinAC Basis 是低成本解决方案,用于对控制无精确时间要求,有大量、快速的数据处理与控制任务(控制任务指 PLC 的控制功能)相结合或其它PC任务的控制场合。

2. WinAC PN

第一个支持PROFInet通讯标准的SIMATIC CPU,性能与WinAC Basis 相似。WinAC PN支持基于组件的自动化(CBA)和PROFInet通讯标准。基于组件的自动化和PROFInet提供了一个开放的标准,用于在复杂任务中机械和系统单元之间的数据交换。数据交换通过SIMATIC iMap工具来进行配置。WinAC PN适应于以下任务:

• 来自整个复杂系统的机械和车间区域之间的协调和连接

• 控制系统单元或机械可被集成到一个全范围的复杂系统

WinAC Basis 4.1有一个选件WinAC PN,带有WinAC PN选件的WinAC Basis 4.1支持PROFInet和CBA。

3.WinAC RTX(WinAC 实时型)

WinAC RTX提供了Windows 2000/XP的实时子系统,具有“硬实时”和“抗死机”特 性。适应于具有高速和精确时间要求的控制任务的场合,如运动控制、闭环控制等。

4.WinAC MP

WinAC MP基于WinCE操作系统和SIMATIC MP370(一种多功能面板)硬件平台。MP370为无硬盘、无风扇设计,WinCE 具有实时特性,可实现严格的确定性动作。WinAC MP用在恶劣工业环境和有大量数据要处理的场合。

5.WinAC Slot 412/416

以板卡的形式插入在PC中,在板卡上已经集成了用于控制任务的CPU、存储器等元件。它可独立于PC进行控制操作。板卡上集成一个MPI/DP 接口和一个DP口。WinAC Slot适用于对安全性和稳定性要求较高的场合。WinAC Slot 412/416在性能上与S7-412/416相近。

使用场景与用途:

由于其功能强大的开放和灵活的接口,SIMATIC WinAC成为基于PC自动化解决方案的理想平台。

• WinAC 运行在基于Windows 2000/XP操作系统下的标准PC平台中

• 与 SIMATIC S7有一致的代码兼容性,统一的编程环境,生成的程序也可被SIMATIC S7所使用

• 提供了OPC、ActiveX控件、DCOM 接口等方法,与其它PC应用程序交换数据

• 为具有特殊工艺硬件软件相结合的控制任务提供了开放的接口

WinAC 适用于以下任务:

• 由于空间和性能的原因,数据处理、通讯、可视化和控制任务必须集成在同一台PC平台上

• 需要有高性能数据处理的任务

• 在协调控制功能中必须有被执行的特殊过程任务

二.  虚拟工控环境研究用途

本案基于WinAC RTX搭建一种基于软件PLC的虚拟工控仿真系统环境,通过该环境可以模拟工业生产流程运行,产生工业协议数据交互流量,为工业数据采集和工控安全研究培训提供基础环境。

三.  实现过程(研究内容)

3.1  研究环境

系统环境:vmare workstation15pro ,win7 ultimate版32位的虚拟机系统

WinAC 软件对操作系统的要求比较高,一般的windows 系统常常在安装过程中会报错或者异常终止,最好选择windows的原版系统。

WinAC RTX 2010 安装的软件需求
WinAC RTX 2010支持下面所列出的操作系统:

• Microsoft Windows XP Professional, Service Pack 2
• Microsoft Windows XP Professional, Service Pack 3
• Microsoft Windows XP Embedded, Service Pack 2
• Microsoft Windows Embedded Standard 2009
• Microsoft Windows 7 Ultimate
• Microsoft Windows 7 Professional
• Microsoft Windows 7 Enterprise

*注意!
WinAC RTX 只支持32位操作系统。

3.2  具体步骤

01

安装虚拟机操作系统和文件配置

1.1在vmare workstation15pro上创建虚拟机,安装win7 32位操作系统,选择旗舰版,专业版或者企业版。

1.2安装好操作系统后,在虚拟机的安装文件夹内打开.vmx文件,在其中添加如下信息:

ethernet0.virtualDev = "e1000e"
bios440.filename="FUJITSU211_314.ROM"

1.3到西门子官网下载文件“FUJITSU211_314.ROM”和WINACRTX CARD.wld,并将文件放置在虚拟机安装目录下。

02

WinAC RTX 2010 的安装过程

以管理员身份登录到Windows,运行安装光盘上的Setup.exe文件启动安装过程。选择安装语言为英文,全勾选安装程序如图1所示,按照安装提示完成安装。

安装过程中提示安装授权时可将 WinAC RTX 2010 套件所含U盘中的授权文件安装到硬盘。或先跳过,在完成安装后通过授权管理器安装授权。

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图为WinACRTX 安装的软件

*提示!
RTX 2009 Runtime:Windows的实时扩展
Windows Logic Controller RTX V4.6:软PLC
WinAC TimSync V4.2:WinAC时间同步
Automation License Manager:授权管理器

WinAC RTX 2010 安装后系统的变化:

• 桌面上增加了Station Configuration Editor图标,用于启动PC Station 配置界面。
• Windows 程序组中增加Simatic PC based control WinLC RTX, 用来启动WinLC RTX 操作面板程序。
• Windows 设备管理器中增加了SIMATIC NET,SIMATIC SoftBus,安装在同一PC上的Step 7、WinCC Flexible RT、OPC Server 等可通过SoftBus与WinLC RTX通信。
• Windows控制面板中增加了Set PC/PG Interface。

03

WinLC RTX 的启停和操作

WinLC RTX  WinAC的核心软件PLC。通过下列路径打开WinLC RTX 操作面板程序:Windows开始 ® 程序 ® Simatic ® PC Based Control ® WinLC RTX,详见图为操作界面。

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图为操作界面

图中操作界面中区域1的ON指示灯在 Start Controller 后点亮,在 Shut Down Controller 后熄灭。BATF 指示灯暂无作用,一直处于熄灭状态。

区域2中指示灯为WinLC RTX 运行状态和运行时的故障指示。

区域3中的按钮RUN 和 STOP 作用与 S7-300/400的模式选择开关作用一致,用鼠标单击来切换WinLC RTX 的运行模式。

区域4中的按钮MRES 用来复位存储区,即清除Step 7 程序,复位内存区 (I、Q、M、T、C) ,加载默认系统配置,删除所有激活或打开的通信任务。第一次打开操作界面时,WinLC RTX 处于启动状态,STOP模式,即图2区域1中的ON指示灯点亮、区域2中的STOP指示灯点亮。可以在图25的CPU菜单下选择Shut Down Controller 用来关闭WinLC RTX ,相当于S7-300/400 的断电 (Power Off) 。而Start Controller用来启动WinLC RTX ,相当于S7-300/400 的上电(Power On)。WinLC RTX 初次启动后处于STOP 模式,可通过图 2所示区域3的RUN 和 STOP 按钮切换WinLC RTX 的运行模式。如下图运行界面所示。


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图为运行界面

04

WinAC RTX 的内部架构

图 4WinAC 内部架构所示的WinAC RTX由两部分组成,一部分运行于RTX 实时子系统中,用来执行 Step 7 为 WinAC RTX 编制的控制程序,具有最高优先级;另一部分运行于Windows,作为 Windows 与 RTX 的通信接口,为 WinAC RTX 提供了很好的开放性,即安装在同一PC上的Step7、 WinCC Flexible RT 、WinCC、OPC Server 等可通过 PC Internal (Soft Bus)与WinAC RTX 通信,而且用户可使用WinAC ODK在Windows下使用Visual Studio 等开发环境开发与WinAC RTX交互的应用程序。

PC 上分配给WinAC RTX作为SubModule的CP卡可做为现场总线主站扩展远程 I/O 。未分配给WinAC RTX的CP卡可与SIMATIC NET软件一起作为OPC Server等应用程序与外部SIMATIC控制器通信的接口,但不能连接远程 I/O 。

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图为WinAC内部架构

05

WinAC RTX 的配置

在安装 WinAC RTX 2010 后,打开Station Configuration Editor可以看到第2槽已添加了一个WinLC RTX组件,如图5 PC Station编辑界面所示。WinLC RTX 组件如同OPC Server 组件一样可以插入PC Station虚拟底板的任一插槽中(注意:Step 7 V 5.4 SP4 中只能插入2-18槽中),只需与Step7 V5.X或TIA Portal中的硬件配置一致即可。将WinLC RTX组件插入PC Station虚拟底板的插槽中,相当于将 S7-400的CPU安装到无源底板的槽位中。

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图为PC Station 编辑界面

双击WinLC RTX组件图标,打开WinLC RTX组件属性对话框,如下图WinLC属性界面所示。

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图为WinLC 属性界面

06

用 Step7 进行 WinAC 的硬件组态

对于 WinAC,不能从PC站上上载正确组态信息到 Step7中,必须手工在Step7中完成硬件组态。在STEP 7创建的WinAC硬件组态,它应和PC站组态编辑器中的组态相吻合。

一. 插入SIMATIC PC Station

启动SIMATIC Manager,创建一个新的工程,并在此工程下插入一个“SIMATIC PC Station”,如下图所示。

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图为插入SIMATIC PC 站

在硬件组态窗口中选择右边的硬件目录,并从中选择WinLC4.1并把它拖放到左边的第二个插槽上(插槽号对应 PC 站组态编辑器中的索引号),如下图所示:1624345252_60d18aa466b7a5fee9eb2.png!small

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我们举一个例子,在Step7中编写一段程序,并运行在线监控。

四.  参考链接

https://blog.csdn.net/weixin_34167819/article/details/93649314

https://support.industry.siemens.com/tf/ww/en/threads/138/?page=0&pageSize=10

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