【技術向】搭建虛擬工控環境，西門子PLC研究報告

星河Salaxy發表於2021-06-22

一. SIMATIC WinAC工控虛擬環境簡介

研究物件簡介：

目前主流PLC供應商都推出自己的軟體PLC系列如：西門子的WinAC、Beckhoff的TwinCAT、ab的SoftLogix系列等。本案西門子採用西門子WinAC RTX軟PLC系列搭建工控虛擬。

SIMATIC WinAC是西門子公司開發的基於PC控制的核心元件，它的出現擴充套件了SIMATIC S7的控制範圍。WinAC 是一個名副其實的控制中心，它將PLC控制、資料處理、通訊、視覺化及工藝整合於一臺PC機上。

SIMATIC WinAC產品包括軟體型和插槽型兩大類，包括如下5種產品：

1． WinAC Basis (WinAC 基本型)

WinAC Basis 是低成本解決方案，用於對控制無精確時間要求，有大量、快速的資料處理與控制任務(控制任務指 PLC 的控制功能)相結合或其它PC任務的控制場合。

2． WinAC PN

第一個支援PROFInet通訊標準的SIMATIC CPU，效能與WinAC Basis 相似。WinAC PN支援基於元件的自動化(CBA)和PROFInet通訊標準。基於元件的自動化和PROFInet提供了一個開放的標準，用於在複雜任務中機械和系統單元之間的資料交換。資料交換透過SIMATIC iMap工具來進行配置。WinAC PN適應於以下任務：

• 來自整個複雜系統的機械和車間區域之間的協調和連線

• 控制系統單元或機械可被整合到一個全範圍的複雜系統

WinAC Basis 4.1有一個選件WinAC PN，帶有WinAC PN選件的WinAC Basis 4.1支援PROFInet和CBA。

3．WinAC RTX(WinAC 實時型)

WinAC RTX提供了Windows 2000/XP的實時子系統，具有“硬實時”和“抗當機”特性。適應於具有高速和精確時間要求的控制任務的場合，如運動控制、閉環控制等。

4．WinAC MP

WinAC MP基於WinCE作業系統和SIMATIC MP370(一種多功能皮膚)硬體平臺。MP370為無硬碟、無風扇設計，WinCE 具有實時特性，可實現嚴格的確定性動作。WinAC MP用在惡劣工業環境和有大量資料要處理的場合。

5．WinAC Slot 412/416

以板卡的形式插入在PC中，在板卡上已經整合了用於控制任務的CPU、儲存器等元件。它可獨立於PC進行控制操作。板卡上整合一個MPI/DP 介面和一個DP口。WinAC Slot適用於對安全性和穩定性要求較高的場合。WinAC Slot 412/416在效能上與S7-412/416相近。

使用場景與用途：

由於其功能強大的開放和靈活的介面，SIMATIC WinAC成為基於PC自動化解決方案的理想平臺。

• WinAC 執行在基於Windows 2000/XP作業系統下的標準PC平臺中

• 與 SIMATIC S7有一致的程式碼相容性，統一的程式設計環境，生成的程式也可被SIMATIC S7所使用

• 提供了OPC、ActiveX控制元件、DCOM 介面等方法，與其它PC應用程式交換資料

• 為具有特殊工藝硬體軟體相結合的控制任務提供了開放的介面

WinAC 適用於以下任務：

• 由於空間和效能的原因，資料處理、通訊、視覺化和控制任務必須整合在同一臺PC平臺上

• 需要有高效能資料處理的任務

• 在協調控制功能中必須有被執行的特殊過程任務

二. 虛擬工控環境研究用途

本案基於WinAC RTX搭建一種基於軟體PLC的虛擬工控模擬系統環境，透過該環境可以模擬工業生產流程執行，產生工業協議資料互動流量，為工業資料採集和工控安全研究培訓提供基礎環境。

三. 實現過程（研究內容）

3.1 研究環境

系統環境：vmare workstation15pro ，win7 ultimate版32位的虛擬機器系統

WinAC 軟體對作業系統的要求比較高，一般的windows 系統常常在安裝過程中會報錯或者異常終止，最好選擇windows的原版系統。

WinAC RTX 2010 安裝的軟體需求
WinAC RTX 2010支援下面所列出的作業系統：
• 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 只支援32位作業系統。

3.2 具體步驟

安裝虛擬機器作業系統和檔案配置

1.1在vmare workstation15pro上建立虛擬機器，安裝win7 32位作業系統，選擇旗艦版，專業版或者企業版。

1.2安裝好作業系統後，在虛擬機器的安裝資料夾內開啟.vmx檔案，在其中新增如下資訊:

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

1.3到西門子官網下載檔案“FUJITSU211_314.ROM”和WINACRTX CARD.wld，並將檔案放置在虛擬機器安裝目錄下。

WinAC RTX 2010 的安裝過程

以管理員身份登入到Windows，執行安裝光碟上的Setup.exe檔案啟動安裝過程。選擇安裝語言為英文，全勾選安裝程式如圖1所示，按照安裝提示完成安裝。

安裝過程中提示安裝授權時可將 WinAC RTX 2010 套件所含隨身碟中的授權檔案安裝到硬碟。或先跳過，在完成安裝後透過授權管理器安裝授權。

圖為WinACRTX 安裝的軟體

*提示！
RTX 2009 Runtime：Windows的實時擴充套件
Windows Logic Controller RTX V4.6：軟PLC
WinAC TimSync V4.2：WinAC時間同步
Automation License Manager：授權管理器

WinAC RTX 2010 安裝後系統的變化：

• 桌面上增加了Station Configuration Editor圖示，用於啟動PC Station 配置介面。
• Windows 程式組中增加Simatic PC based control WinLC RTX, 用來啟動WinLC RTX 操作皮膚程式。
• Windows 裝置管理器中增加了SIMATIC NET，SIMATIC SoftBus，安裝在同一PC上的Step 7、WinCC Flexible RT、OPC Server 等可透過SoftBus與WinLC RTX通訊。
• Windows控制皮膚中增加了Set PC/PG Interface。

WinLC RTX 的啟停和操作

WinLC RTX WinAC的核心軟體PLC。透過下列路徑開啟WinLC RTX 操作皮膚程式：Windows開始 ® 程式 ® Simatic ® PC Based Control ® WinLC RTX，詳見圖為操作介面。

圖為操作介面

圖中操作介面中區域1的ON指示燈在 Start Controller 後點亮，在 Shut Down Controller 後熄滅。BATF 指示燈暫無作用，一直處於熄滅狀態。

區域2中指示燈為WinLC RTX 執行狀態和執行時的故障指示。

區域3中的按鈕RUN 和 STOP 作用與 S7-300/400的模式選擇開關作用一致，用滑鼠單擊來切換WinLC RTX 的執行模式。

區域4中的按鈕MRES 用來複位儲存區，即清除Step 7 程式，復位記憶體區 (I、Q、M、T、C) ，載入預設系統配置，刪除所有啟用或開啟的通訊任務。

第一次開啟操作介面時，WinLC RTX 處於啟動狀態，STOP模式，即圖2區域1中的ON指示燈點亮、區域2中的STOP指示燈點亮。可以在圖25的CPU選單下選擇Shut Down Controller 用來關閉WinLC RTX ，相當於S7-300/400 的斷電 (Power Off) 。而Start Controller用來啟動WinLC RTX ，相當於S7-300/400 的上電(Power On)。WinLC RTX 初次啟動後處於STOP 模式，可透過圖 2所示區域3的RUN 和 STOP 按鈕切換WinLC RTX 的執行模式。如下圖執行介面所示。

圖為執行介面

WinAC RTX 的內部架構

圖 4WinAC 內部架構所示的WinAC RTX由兩部分組成，一部分執行於RTX 實時子系統中，用來執行 Step 7 為 WinAC RTX 編制的控制程式，具有最高優先順序；另一部分執行於Windows，作為 Windows 與 RTX 的通訊介面，為 WinAC RTX 提供了很好的開放性，即安裝在同一PC上的Step7、 WinCC Flexible RT 、WinCC、OPC Server 等可透過 PC Internal (Soft Bus)與WinAC RTX 通訊，而且使用者可使用WinAC ODK在Windows下使用Visual Studio 等開發環境開發與WinAC RTX互動的應用程式。

PC 上分配給WinAC RTX作為SubModule的CP卡可做為現場匯流排主站擴充套件遠端 I/O 。未分配給WinAC RTX的CP卡可與SIMATIC NET軟體一起作為OPC Server等應用程式與外部SIMATIC控制器通訊的介面，但不能連線遠端 I/O 。

圖為WinAC內部架構

WinAC RTX 的配置

在安裝 WinAC RTX 2010 後，開啟Station Configuration Editor可以看到第2槽已新增了一個WinLC RTX元件，如圖5 PC Station編輯介面所示。WinLC RTX 元件如同OPC Server 元件一樣可以插入PC Station虛擬底板的任一插槽中(注意：Step 7 V 5.4 SP4 中只能插入2-18槽中)，只需與Step7 V5.X或TIA Portal中的硬體配置一致即可。將WinLC RTX元件插入PC Station虛擬底板的插槽中，相當於將 S7-400的CPU安裝到無源底板的槽位中。