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基于贝加莱X20控制器的COSAI-A8000RV工程实训平台

周德兴 陈巍

引 言

北京华晟云联与亿德同创共同开发的COSAI-A8000RV，是一套工程实训平台，其中，采用了贝加莱的X20紧凑型控制器，该系统具有良好的技术前瞻性，并能够与当前的前沿技术融合，为学生提供一个可实现整体的自动化系统开发、并与产业实际紧密融合的教学体系，包含完整的对象、实验指导以及课件。

系统提供真实的X20 PLC，真实小型工业对象，甚至包括含步进电机的直线运动模块，也提供了大量的仿真对象和半实物仿真模块，同时系统还提供通过纯软件的Automation Studio X20仿真和纯软件的数字孪生工业对象，实现无任何硬件的控制实训和教学。大大降低实训成本，并满足任何时间，任何地点的实训需求。

一、PLC实训-已经不止于逻辑

尽管PLC在产业界已经有数十年的历史，而PLC的教学也被认为是平淡无奇—然而，并非如此，因为，今天，领先的PLC已经早已不是传统意义的PLC，就像贝加莱的X20系列控制器，它已经融入了高级算法设计、回路调节、运动控制、Web/FTP技术、现场总线及OPC UA通信规约，并能够与第三方数字化设计进行交互，也可以通过OPC UA与MES/ERP、边缘/云端系统连接，成为一个智能机器与系统的数据节点，实现控制与计算任务的集成。

二、特别适合的一款CPU-X20CP1382

COSAI-A8000RV平台采用贝加莱X20CP1382控制器，这是一款较为经济的紧凑型PLC，拥有1mS的控制任务周期，以及本身自带了32点DI/DO，如图1所示，几乎满足各种基本控制任务的要求，例如逻辑控制、模拟量的回路任务、高速步进控制任务、以及通过POWERLINK、CAN总线可以实现的运动控制任务。

图1-X20CP1382的硬件配置

它是一款再合适不过的PLC，既满足基本任务，也小巧经济，而且外观设计精美，充满工艺质感。

三、软件才是增值的关键

今天，人们讨论自动化系统的开发，越来越多的人们开始关注工业软件，工程师也更为看重软件能力的训练，而在实际中，工程师的主要工作也的确在应用软件的开发上，中国人常说“工欲善其事，必先利其器”，一个好的开发平台工具是高效开发的关键。

而Automation Studio集成开发平台就是一个不可或缺的“集成开发工具平台”，在全球自动化领域，Automation Studo是为数不多的全集成架构平台。它有非常适合于构建智能机器与系统的一些功能与能力设计。在图2中我们可以看到，Automation Studio能够针对一个自动化应用项目的开发提供两个维度的设计能力：

（1）.AutomationStudio能够开发控制器逻辑任务、运动控制、HMI画面设计、安全技术集成，以及机器人系统的集成能力。

（2）.AutomationStudio能够从项目的选型配置、工程管理、建模仿真接口、编程开发、测试以及在现场的远程诊断与维护服务整个集成。

图2-Automation Studio平台的功能设计

总之，Automation Studio平台提供了学生在整个自动化项目开发中的一些能力训练：

（1）.全局的机器视野：在这个系统应用过程中，形成非常完整的自动化项目开发的整体思维，能够考虑多个维度的问题，并能够建立起有效的关联与逻辑架构。

（2）.大量的可应用资源，包括对于自动化的基本对象了解、模块封装、通信集成、滤波算法等，这些产业实际可用资源也可以被学生学习，以了解如何巧妙利用资源快速完成任务。

四、数字时代的技能-Get it!

在COSAI-A8000RV系统中，可以实现一些数字化设计功能

4.1建模仿真集成

Automation Studio可以与MATLAB/Simulink、MapleSim、IndustrailPhysics等软件形成控制与机电对象的交互，可以实现建模仿真测试的连接能力。这使得它可以实现以下能力：

• 软件在环测试(SIL)：完全虚拟的环境下开发，并在虚拟的环境运行（Automation Studio虚拟环境）；
• 硬件在环测试(HIL)：通过建模仿真的代码可以直接下载到X20CPU，可以实现硬件在环测试;

图3-采用MapleSim与AutomationStudio集成的协同仿真环境

图3为例，通过MapleSim的机械建模，可以与控制系统的控制模型相结合，将机械对象的惯量与控制的I/O逻辑、运动控制相互结合，可以实现对其精准的控制参数仿真。

4.2丰富的网络通信能力

X20CPU可以配置多种可选的总线模块，自带标准以太网及POWERLINK实时以太网，RS232，也可以通过总线模块配置：

->PROFINET/Profibus DP；

->CAN总线及CANopen应用协议；

->Modbus TCP/IDA；

->Ethernet/IP；

->

X20CPU内嵌OPC UA Server，在新的Automation Studio 4.10版也可以支持OPC UA Pub/Sub机制的数据交互机制，也可以自己开发MQTT协议，与相应的边缘侧/云端系统集成。

4.3多种开发支持

贝加莱的X20系列控制器均支持PLCopen IEC61131-3编程，也支持PLCopen的库开发，以及C/C++高级语言编程，其中采用Simulink的C代码自动生成也可以直接下载至控制器运行。

在这个教学装置中，这些编程方法每个学生都可以自行测试，并进行项目的整合性开发。

五、COSAI-A8000RV结合产业实践的场景训练

在COSAI-A8000RV中，针对于多种工业现场，都有完整的背景介绍、思路、例程、思考问题设计，这些场景包括以下几个方面，分别承担不同的训练：

5.1 抢答器和数码管编码显示，提供组合逻辑和状态变量控制，体现非时序控制的特色。

5.2交通灯和液体混合控制：提供条件判断和定时控制的时序逻辑控制；工业中最大量的控制方式。

5.3电梯控制，提供复杂的步序控制和逻辑联锁。主要是考虑针对逻辑任务，它包括用Ladder、ST等编程的方法训练；体现把一个复杂的控制分解为多个简单逻辑的子程序的控制方法。

5.4 机械手控制，提供基本的电机设备控制逻辑，包括复位操作，安全位置停留、步序控制等基本概念。

5.5运动控制：轴的动作以及轴组的任务处理，可基于PLCopen的模块开发；

5.6 电机PWM控制和高速测速，训练PWM，HSC等PLC的脉冲输入输出功能。

5.7 温度控制和测量的PID回路调节控制：以经典PID的训练为主，可以基于高级语言开发回路调节任务；并训练模拟量采集，模拟量输出或PWM输出。

5.8通信连接任务：各种例程训练，例如Modbus、Profinet、OPC UA、MQTT各种通信 的是实际例程与操作。

六、COSAI-A8000RV特色—整体能力训练

6.1完整的工程思维训练

事实上，工程师的能力训练不仅仅是编程，而是包括对整个项目的规划能力、标准化与模块化的软件设计，在COSAI-A8000RV中，这些都能够让学生在训练操作过程中感受到产业实际对工程师的要求，以及规范，潜移默化的训练成优秀工程师。

6.2完整的体系设计

该系统有完整的硬件对象设计、指导书、课件支持，包括华盛云联以及亿德同创的技术专家支持。

七、适用范围

本教学装置可用于以下学校的教学：

（1）.大学本科控制技术教学

（2）.职业类院校的自动化应用开发教学

（3）.针对大专类自动化专业的教学实践

（4）.用于职业技术类师资力量培训

END