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1、引 言
在互联网技术及其应用的推动下，教育信息化建设得到了飞速的发展，基于网络的各种应用如网络远程教育、数字图书馆、网络办公等系统得到了迅速的普及，越来越多的系统应用对数据的存储提出了更高的要求。在网络时代，信息资源呈几何级数增长，导致通过网络进行传输的信息量不断膨胀，大量的信息需要进行数字化存储。而构建大量的网络存储后，如何保证这些数据的安全、可靠的运行呢？
越来越多的高校存在多地办学的压力，学生数目急剧增加，而工作人员工作量的加重、交通不便、机房系统管理人员的匾乏导致我们无法及时应对停电这些突如其来的偶然情况。虽说大多数服务器机房配备了UPS，但停电时间的偶然性和UPS电池容量的有限性还是会导致一些重要数据的丢失。
现在的服务器存放数据大多采用SAN（Storage AreaNetwork)架构的网络存储模式，依靠系统管理人员手动启动或手动关闭服务器等设备。一旦停电，若处理不及时，必然导致数据丢失。下面我们以云南大学图书馆基于SAN架构的IBMFAST 900存储为例（如图1）。
利用了PLC强大的逻辑功能和高可靠性以及PC机的软硬件资源，本文设计了一个服务器机房电源控制系统，实现了整套机房电源的自动有序开启或关闭（包括服务器、交换机、磁盘控制器、磁盘柜等），克服了传统手工管理服务器机房的弊端。
图1 基于PLC的服务器机房电源控制系统拓扑图（以云南大学图书馆SAN存储为例）
2、服务器机房电源控制系统的功能和组成
2.1 电源自动有序开启和有序断开
服务器机房系统中有UPS、磁盘柜（EXP700）、光纤交换机（Switch 3534-FO8）、光纤磁盘控制器（FAST900）、服务器，整个系统的开启和断开都是有顺序对时间也有一定要求。一旦顺序紊乱，就会导致数据丢失。
下面我们规定一下开关机条件：UPS电池容量高于10%且处于充电状态，可以开机；UPS电池容量低于10%且处于放电状态，关机。
开启和断开顺序如下图2所示：
图2 开关机示意图
开机：所有磁盘柜（EXP700）开启一分钟后，依次开启光纤交换机（Switch3534-F08）、光纤磁盘控制器（FAST 900），前后设备间隔30秒启动；再打开服务器操作系统；
关机：关闭服务器操作系统后，依次关闭光纤磁盘控制器（FAST 900）、光纤交换机（Switch3534-F08）、磁盘柜（EXP 700），前后设备间隔30秒关闭。
整个过程无需手工介人，一旦确定开机或者关机，UPS通过以太网发送开机/关机信号到PC机，从而实现整个机房电源的自动开启或关闭。与传统的手工开关机相比，节省了大量的人力、物力、时间，避免了误操作而引起的系统故障。
2.2 电源的监视和信息统计
PC机通过OPCServer与PLC建立连接，采集PLC信息，显示在PC程序界面上，从而实现对电源的开启和关闭次数的统计功能。
2.3 组成
系统软件组成：机房管理监控软件，PLC编程软件Step7（Ver5.0或更高)，SiemensSimatic Net2006（OPC软件）。
系统硬件组成：PC、西门子S7300 PLC、16I/160输入输出模块、CP343-1IT以太网卡、PS307 24VDC稳压源、以及单极断路器、中间继电器、指示灯、按钮若干。
3基于PLC的服务器电源管理系统的设计过程
3.1 PLC选型
由于系统基于PLC装置的强大的逻辑功能和高可靠性，建立其输出节点与被控对象（中间继电器）——电源开关量之间的“点对点”关系，对电源开关进行控制；并且PLC具备以太网与PC机通讯功能。在PLC的选型上需要综合考虑以下几个因素：系统需要的功能、I/O点数、程序存储器的容量以及I/O信号的性质、参数、特性等。
本系统选用德国西门子自动化有限公司的S7300系列器件。该器件由PS307电源、CPU315-2DP、CP343、1TT、16点I/O模块以及保护电源的单极断路器、控制电源通断的中间继电器（简称“继电器”）组成。PLC上运行的软件用Step7开发，用于采集相应的输入信号进行处理，处理后输出到控制继电器来控制相应设备的电源。
3.2 电路原理
电路原理如图3所示：
图3 基于PLC的服务器机房电源控制系统的电路原理图
由于采用PLCvo控制，电路的控制变得异常简单，因为PLC程序取代了大部份原先电路逻辑所做的工作。S7300的16输入16输出模块主要是采集一个“启动”按钮（StartButton）和一个“停止”按钮（StopButton）的信号，通过PLC-S73110处理以后，输出控制相应的继电器间接控制设备电源关开和指示灯。
4.2 机械手仿真系统
1）控制要求。a．系统工作方式分自动、手动2种。b．在自动工作方式下，点按启动按钮，机械手向下移动5s，夹紧2s，随后上升5s，右移10s，下移5s，放松2s，上移10s，完成一个工作周期，回到初始位置.随后继续进行下个周期的运行。如果按下停止按钮，则本工作周期完成，机械手返回初始位置后停止运行。C．采用手动工作方式，可分别控制各运动部件。
2）PLC输入输出表。机械手控制PLC的I/O点分配表如表2所示。输入端点所接的控制部件除了“自动/手动”开关为转换开关以外，其他均为自动复位点动按钮。
表2 机械手控制PLC的I/O点分配表
3）组态仿真画面。机械手组态仿真手动画面如图3所示。画面中的操作面板完全仿照实际控制面板而设计，各操作按钮与操作面板的功能完全相同。若按下画面中的“进入自动”按钮，画面将转换到“机械手仿真自动监控系统”画面，使仿真机械手按照控制要求周而复始地自动循环工作。
图3 机械手组态仿真手动画面
4.3 混合液体仿真系统
设H，T，L为液位传感器，液面淹没时为ON；YV1及YV2为进料电磁阀，YV3为排料电磁阀，M为搅拌电动机。
1）控制要求。a．初始状态：容器是空的，3个阀门均关闭（YV1＝YV2＝YV3＝OFF），液位传感器输出触点断开（H＝I＝L＝OFF），电机停止（M＝OFF）。b．启动操作：按一下启动按钮SB1，阀门YV1打开（YV1＝ON），液体A流入容器；当液面到达I时，I＝ON，使阀门YV1关闭（YV1＝OFF），阀门YV2打开（YV2＝ON），液体B流入容器；当液面到达H时，H＝ON，使阀门YV2关闭（YV2＝OFF），启动电机M（M＝ON）开始搅匀；经过60s，搅匀后，M停止搅拌（M＝OFF），阀门YV3打开（YV3＝ON），开始放出混合液体；当液面低于L时，L由ON变为OFF，再过2s后，使阀门YV3关闭（YV3＝OFF），容器放空，工作结束。c．停止操作：在工作过程中，按一下停止按钮，系统立即停止工作。
2）PLC输入输出表。混合液体控制PLC的I/O点分配表如表3所示。控制混合液体PLC输入/输出表如表3所示。在PLC输入端接一个对搅拌电动机起过载保护作用的热继电器常闭触点。当电机发生过载时，此触点断开时系统将停止工作。
表3 混合液体控制PLC的I/O点分配表
3）组态仿真画面。混合液体组态仿真画面如图4所示。当“组态王”和PLC通信正常时，点按启动按钮，就可在画面中非常形象直观地观察到管道中水的流动、储液罐中液体的升降和搅拌器的转动，以及水位传感器接通的情况。在画面中设计了液位报警窗口，当液位数值变化异常时将进行报警；还设计了历史曲线、实时曲线、数据报表画面，以便对液位进行趋势分析。由于篇幅所限，此画面没有给出。
5 实验过程
开发的仿真PLC控制对象画面中的图素已经建立了动画连接。“组态王”与PLC进行通信，已经验证了仿真监控画面运行的正确性，可实现真实PLC控制对象所要求的一切功能。当学生做实验时，不必为其提供梯形图，可以先通过计算机屏幕为学生展示开发好的仿真控制画面，使学生对自己设计的控制系统有感性认识，从而激发学习兴趣。具体实验步骤如下：
1）按照每个实验给出的控制要求和PLC输入输出表，画出PLC原理图和控制程序流程图，让学生学会PLC的实际接线和电气元件的选型及标准画法，使实验更接近实际。
2）应用三菱PLC编程软件FXGPWIN在计算机上自编程序。可使用不同的算法和指令编写程序，但终要实现系统的相同控制。
3）PLC程序编制完成后，要进行调试修改。利用PLC编程软件中的“编译”命令，检查PLC程序是否有语法错误，如果没有再将程序下载到PLC中；利用PLC编程软件中的“监控”和“强制”命令，调试PLC程序。
4）PLC与组态软件通信。通过运行仿真画面，可形象直观地观察仿真PLC被控对象的工作情况，由此也可验证PLC程序正确与否。
6 结 语
将仿真技术应用于PLC教学实验，解决了无控制对象及无法开设PLC实验课的问题。仿真方法还可在教师的科研中发挥巨大作用，既能节约大量的实验经费，又能缩短实验时间，提高实验的安全性，仿真控件的开发周期短，开发后免维护，可以开发多个仿真控件，增强实验的多样性，以更好地达到教学目的。目前，我们已经开发了运料小车、自动售货机、五层楼电梯、霓虹灯等仿真控件，并编写了实验指导书以配合课堂教学，帮助学生积累工程现场的经验，使之得到全面综合的锻炼。
目前，很多院校开设了可编程序控制器控制技术课程。它是一门理论性、趣味性及实践性很强的课程，需要搭建PLC实训室，开设PLC实验课程，而开设PLC实验课需要解决的关键问题是PLC的控制对象。PLC的控制对象可以是实物模型，但它存在成本高、难维护、种类少等不足之处；也可以是用指示灯模拟显示PLC控制对象的实验箱，它与实物模型相比成本较低，也存在难维护、种类少、结果观察不直观等缺点；应用组态软件在计算机屏幕上全真模拟PLC的控制对象可以弥补上述不足，它还能以动画形式演示PLC控制对象的工作过程，具有成本低、免维护、灵活多样、形象直观等优点。
从教学意义上说，如果能用计算机全真模拟被控对象，不但可以克服实物模型的缺点，可利用有限的设备及多样化的程序丰富学生的实验课内容，增强PLC实验课的教学效果。北京亚控公司推出的“组态王”软件，具有可靠性高、通信快速、功能强大、界面友好和开发简洁等优点，可用来开发实验室仿真PLC控制对象，满足为学生开设实验课的需要。
1 系统构成
利用“组态王”软件设计PLC仿真控制对象，是指在计算机上运行事先编写好的“组态王”应用程序，用软件来代替硬件（被控对象）的工作，借助计算机屏幕观察控制过程与结果。仿真PLC控制对象的实验系统结构如图1所示。上位机微机配有“组态王6.5”软件和三菱PLC编程软件FXGPWIN，下位机采用三菱FX2N-64MR型的PLC。“组态王”软件通过RS232C接口与PLC之间进行通信，并监控PLC所有存储器、控制器及I/O接口的状态，以变量值的形式传输到计算机上，供上位机使用、处理。
图1 仿真实验的系统结构图
2 系统的实现
利用“组态王”软件设计的应用软件，可以仿真多种PLC控制对象。仿真的被控对象不仅可以接受多种由PLC发出的控制信号，如逻辑开关信号、继电器控制信号、脉冲信号和各种数值信号等，还能按照程序的算法以动画、数值、文字、标尺等形式在计算机屏幕上反映出PLC的控制过程与结果，可以直接从屏幕上观察PLC的控制结果正确与否；“组态王”亦可向PLC发出各种命令信号，如逻辑开关控制信号、继电器开关信号、中断信号及位置信号等。“组态王”还能以按钮、滑动标尺、数值输入及单选框、复选框等形式向PLC发出各种命令和输出各种参数，以配合PLC的控制，反映PLC与被控对象（软件仿真的被控对象）及控制结果之间的关系。
要使画面中各图素能够生动、逼真的运动或显示，在“组态王”中需定义一些内存变量与外部I/O变量进行配合，并通过在其应用程序命令语言中书写程序控制自己的应用程序，驱动画面，用这种仿真方法开发PLC仿真控制对象，其优点是周期短、费用低、可靠性高，能节省电力资源，维护要求较低，不会危及人身和设备安全；其模拟效果逼真，人机界面生动友好，能达到很好的实验效果。
在实验教学中，学生既可将计算机看作“被控对象”，用PLC对其进行控制；又可在计算机屏幕上以仿真动画形式直观看到程序的执行结果，从而极大地提高学生的兴趣，强化他们的动手能力；可以增强学生的参与意识，使之对可编程控制器的理解更加深入，从而达到实验目的，终提高教学质量。
3 开发要求
利用仿真模拟技术开设PLC实验课，开发的仿真PLC被控对象满足如下要求：
1）组态仿真画面一般由2部分构成：一是仿真的PLC控制对象；二是仿真操作面板。有时根据系统控制对象不同，还会有一些报表。
2）“用户”可以用鼠标点击屏幕上的按钮，发出PLC所需要的输入信号（行程开关模拟信号、按钮模拟信号）。PLC接到该信号后，经过控制程序（实验课学生编写的PLC控制程序）发出控制指令。上位机接到控制指令后，控制画面上仿真控制对象的图形、动画、指示灯及机械、显示等动作，在报表中绘出一些曲线，填入一些数值。
3）接到电源信号后，模拟电源指示灯亮，显示红色，以示“组态王”与PLC通信正常。
4）仿真界面直接显示PLC仿真控制对象的物理位置和运行方向，可直观反映PLC程序的运行结果。
5）仿真PLC控制对象是以画面形式反映PLC程序执行结果的，故画面应尽可能逼真于模仿实物。
4 开发实例
以下给出我们开发的仿真PLC被控对象中的一部分，包括十字路口交通灯、机械手和水位控制系统。这些开发项目完全可以直接应用到PLC教学实验中，因篇幅所限，文中未给出PLC的梯形图程序及组态设计过程。
4.1十字路口交通灯仿真系统
1）控制要求。a．南北向和东西向主干道均设绿灯30s，绿灯闪亮3s，黄灯2s和红灯30s。当南北主干道红灯点亮时，东西主干道先点亮绿灯，之后绿灯闪亮，再后点亮黄灯；当东西主干道红灯点亮时，南北主干道先点亮绿灯，之后绿灯闪亮，再后点亮黄灯。b．南北和东西向人行道均设有通行绿灯和禁止红灯。南北人行道通行绿灯应在东西向主干道点亮后才允许点亮，接5s绿灯闪，其他时间为红灯；同样，东西人行道通行绿灯于南北主干道绿灯点亮后才允许点亮，接5s绿灯闪，其他时间为红灯。c．点按“停止”按钮，工作立刻停止。
2）PLC输入输出表。交通灯控制PLC的I/O点分配表如表1所示。十字路口有12只红、黄、绿灯，人行道有16只红、绿灯，同一方向的同色灯动作，应为一个输出，在表中只占用10个PLC输出端点。
表1 交通灯控制PLC的I/O点分配表
3）组态仿真画面。十字路口交通灯组态仿真画面如图2所示。将PLC置于运行状态，进入“组态王”运行环境.若画面中的电源指示灯以红色显示，表明两者通信正常。初始运行画面上各交通指示灯都以黑色显示，当按下画面中的“启动”按钮，画面中的红、绿、黄交通指示灯按照PLC的程序显示或闪烁；当南北与东西向主干道和人行道绿灯亮时，画面中会有汽车和行人通过。
图2 十字路口交通灯组态仿真画面
画面中汽车和行人的动作仅与“组态王”的内存变量有关，可通过在其应用程序命令语言中编制程序控制汽车与行人的速度和方向，与PLC的程序无关。