没有硬件也能练 PLC：Factory I/O + OpenPLC 虚拟实验台

一句话结论：想学 PLC，不必先买一台控制器、一个水箱和一套按钮。PLC 根本不在乎水箱是钢的还是像素的，它只在乎自己在网络上读写的那个 I/O 映像。这篇要复现的虚拟实验台由三部分组成：Factory I/O 扮演被控过程（Modbus 服务器），OpenPLC 扮演 PLC（Modbus 主站，同时自带从站服务器），两者之间跑真实的 Modbus TCP——不是进程内的假连接。最终的梯形图程序是 14 级：两个带定时器的锁存流程、一条相互排斥的互锁、两盏面板指示灯和一个由 PLC 计算、经总线传到面板的倒计时。跑通之后，两个数字就能说明一切：灌水计时器走到 2.2 秒、剩余 7.8 秒时，面板显示 8（10 − 2.2 截断取整）——它同时证明了定时器在计数、算术链正确、数据真的走完了 Modbus。

本文完整编译自 dev.to @almahmudkhalif《Virtual PLC Lab: Ladder Logic Control of a Filling Tank with Factory I/O and OpenPLC over Modbus TCP》（2026-10-09），截图为原文作者实机捕获，做中文整理。

一、要练什么：一个带真实协议的教学目标

作者给自己定的目标很具体：用 PLC 程序控制一个水箱，而且过程要像真的设备。

• 按一次按钮开始灌水——操作员不需要按住按钮；
• 灌水在固定时间后自动停止（没有液位传感器，时间就是唯一的控制参数）；
• 第二个按钮让水箱排水，同样是定时；
• 灌水和排水绝不允许同时发生——这是真互锁，不是"最好别这样"；
• 面板指示灯显示当前处于哪个阶段；
• 面板显示实时倒计时，让操作员看得到还剩多久。

用的场景是 Factory I/O 的 3 - Filling Tank (Timers)：水箱、进水阀、出水阀、两个带灯按钮（Fill、Discharge）和一个数字计时显示屏。注意：按钮里的灯由 PLC 驱动，不是手指按亮的——所以这块面板同时是状态指示器。

二、为什么用 Modbus TCP，而不是"假连接"

这是整个实验台最值得学的一个设计决定。作者说得很清楚：如果把两个程序用进程内的假链接粘在一起，就什么都学不到——因为你绕过了"现场 I/O 到底怎么到达控制器"这件事。

改用 Modbus TCP 之后，两半程序就是两个真正独立的设备，通过 socket 对话，跟真实系统的方式一致。

有个容易绕晕的地方要提前讲清：Factory I/O 是 Modbus 服务器（从站），PLC 才是 Modbus 主站（客户端），由 PLC 每 100 ms 轮询一次过程。控制器当客户端听起来别扭，但这恰恰是现实中很多"PLC 对远程 I/O"的通信方式。

三、步骤 1：配置过程模拟器，先数清楚 I/O

安装 Factory I/O，打开场景 3 - Filling Tank (Timers)。花几分钟逐个点击场景里的元件，读它们的标签名——后面写地址映射时要用到这些完全一致的名字。

在动手接线之前，先看清楚这个场景没有什么。作者最终确定的驱动配置是：

• 数字输入 3 个（Fill 按钮、Discharge 按钮、"FACTORY I/O (Running)"）；
• 数字输出 4 个（进水阀、出水阀、灌水指示灯、排水指示灯）；
• 寄存器输入 0 个；
• 寄存器输出 1 个（计时显示屏）。

那个 0 就是整个设计的起点：没有任何模拟量液位值被传过来，所以想按液位控制也不可能——灌水和排水时长成了仅有的控制参数，解法只能用定时器。这是一个很好的习惯：先看清接口边界，再决定控制策略。

四、步骤 2：启动 Runtime，并在控制台自查三件事

先启动 OpenPLC Runtime——编辑器需要一个正在运行的目标才能下载，在线监视也依赖它。

检查控制台输出，作者那次长这样：

MODBUS_SLAVE  Server listening on 0.0.0.0:502
MODBUS_SLAVE  Plugin modbus_slave started successfully
MODBUS_MASTER (PASS) Connected to TCP 192.168.56.1:502 (attempt 1)
PLC base tick: 100000000 ns across 1 task(s)
PLC State: RUNNING

要确认的三件事：

1. 从站插件在 502 端口监听（这是 Runtime 自己的 I/O 映像，后面验证阶段要用）；
2. 主站连上了模拟器的 IP 与端口；
3. PLC 确实处于 RUNNING，而不是 stopped。

你还会看到 Memory locking not available、SCHED_FIFO(99) 调度失败之类的告警。在虚拟机或 Windows 上这是预期现象——只说明运行时不是硬实时。对一个 100 ms tick 的模拟过程来说完全够用。

五、步骤 3：建项目，把两半接起来

在 OpenPLC Editor 里新建项目（作者的叫 Tank_Filling），一个程序 main。打开 Device Configuration 指向目标运行时；当按钮从 Connect 变成 Disconnect、状态显示 PLC: RUNNING，说明编辑器已接上，之后可以在线看逻辑执行。

然后是两个通信对象：

PLC 自己的从站服务器（项目树 → Servers → modbus）：启用；传输方式 Modbus TCP；网络接口 All Interfaces (0.0.0.0)；端口 502；从站 ID 1。它让外部客户端在不碰程序的情况下读 PLC 的 I/O 映像——第十节验证要用。

远程设备（项目树 → Remote Devices → modbus1）：这是 PLC 的客户端侧，指向 Factory I/O：

Protocol   : Modbus (TCP/IP)
IP address : 192.168.56.1      # Factory I/O 服务器绑定的网卡
Port       : 502
Timeout    : 1000 ms
Slave ID   : 1

然后把过程信号和 PLC 地址绑起来：

IEC 地址和 Modbus 引用是怎么对上的，值得单独理解一次：IEC 61131-3 里用 %IX（输入位）、%QX（输出位）、%QW（输出字）描述过程映像；Modbus 侧则用离散输入（Discrete Input）、线圈（Coil）、保持寄存器（Holding Register）这些数据区描述对象。编辑器在中间做映射，功能码决定读写的语义——FC 02 读离散输入、FC 15 写多个线圈、FC 16 写多个保持寄存器。搞错方向（比如把"过程→PLC"接成写线圈），症状往往不是报错，而是"值不动"或"逻辑行为怪异"，这是新手最费时的一类问题。

两个"照抄会踩"的点：

• PLC 只读两个离散输入（length 2），所以模拟器的第三个输入 "FACTORY I/O (Running)" 根本到不了程序里。想拿它当"仿真运行中"的总闸，得先把 length 改成 3。
• 两端的从站 ID 必须一致。 ID 不匹配的后果是静默超时，而不是有用的报错。

六、步骤 4：声明过程接口（14 个变量）

命名纪律值得学：只有 *_Valve、*_Light 和 Timer_Disp 碰被控过程，其余全是状态与算术。一眼就能分清"哪些线是接出去的"。

七、步骤 5：写梯形图（14 级、四组）

先用结构化文本（ST）表达意图，更好读：

(* ---- 灌水阶段 ---- *)
Fill_Seq  := (Fill_Btn OR Fill_Seq) AND NOT Disch_Seq AND NOT T_Fill.Q;
T_Fill(IN := Fill_Seq, PT := T#10s);
Fill_Valve := Fill_Seq;
Fill_Light := Fill_Seq;

(* ---- 排水阶段 ---- *)
Disch_Seq := (Disch_Btn OR Disch_Seq) AND NOT Fill_Seq AND NOT T_Disch.Q;
T_Disch(IN := Disch_Seq, PT := T#10s);
Disch_Valve := Disch_Seq;
Disch_Light := Disch_Seq;

(* ---- 面板倒计时 ---- *)
IF Fill_Seq THEN
    Fill_sec  := TIME_TO_S(T_Fill.ET);      (* 已用时间 -> 秒 *)
    Left_Calc := 10.0 - Fill_sec;           (* 剩余 *)
    Timer_Disp := TO_INT(Left_Calc);        (* 面板收整数 *)
ELSIF Disch_Seq THEN
    Disch_sec := TIME_TO_S(T_Disch.ET);
    Left_Calc := 10.0 - Disch_sec;
    Timer_Disp := TO_INT(Left_Calc);
END_IF;

Rung 1–3：灌水阶段。 Rung 1 是自锁：

(Fill_Btn OR Fill_Seq) AND NOT Disch_Seq AND NOT T_Fill.Q → Fill_Seq

与 Fill_Btn 并联的 Fill_Seq 触点让"按一次"能启动并保持整个阶段；NOT Disch_Seq 是互锁；NOT T_Fill.Q 让阶段自己结束。Rung 2 是定时器 TON T_Fill，PT := T#10s。Rung 3 用阶段位驱动进水阀——锁存一掉，阀门不可能还开着。

Rung 4–6：排水阶段。 灌水的镜像，安全条件就在这里：

(Disch_Btn OR Disch_Seq) AND NOT Fill_Seq AND NOT T_Disch.Q → Disch_Seq

Rung 4 的 NOT Fill_Seq 意味着"灌水时排不了水"，Rung 1 的 NOT Disch_Seq 意味着"排水时灌不了水"。两个阶段在结构上互斥，而不是靠操作员自觉。

Rung 7–8：面板指示。 Fill_Seq → Fill_Light、Disch_Seq → Disch_Light。对过程不是必需，但顺手把面板变成了状态显示器。

Rung 9–14：倒计时。 定时器的 ET 是 TIME 类型，不能直接做算术，所以 Rung 9 先转换：TIME_TO_S(T_Fill.ET) → Fill_sec；Rung 10 相减（10.0 - Fill_sec → Left_Calc）；Rung 11 截断成整数写进显示寄存器（TO_INT(Left_Calc) → Timer_Disp）。Rung 12–14 用同样的两个暂存变量和同一个显示寄存器，为排水阶段重复这条链——程序因此保持得很短。

这里能顺手学到一个真实工程的纪律：预设值 10 秒不要硬编码在多个地方。一旦要把灌水时间改成 12 秒，梯级、定时器 PT、倒计时减法都必须同步修改，漏一处就出现"阀门按 12 秒关、面板却按 10 秒数"的分裂。做法是把它抽成一个常量，三处都引用它。

八、步骤 6：配置 Factory I/O 驱动

回到 Factory I/O 打开驱动页，选 Modbus TCP/IP Server：

Port                : 502
Slave ID            : 1
Network adapter     : PLC 能到达的那块网卡
Write Digital       : Inputs              # 模拟器发给 PLC 的
Read Digital        : Coils               # 模拟器从 PLC 取的
Write Register      : Input Registers
Read Register       : Holding Registers
Scale               : 1
I/O points          : 3 DI, 4 DO, 0 register inputs, 1 register output

驱动启动、PLC 客户端连上后，绿色连接指示会出现。驱动页会把映射在一屏里列出来——这是确认"coil 0 真的是进水阀而不是某盏灯"最快的方法。

九、步骤 7：跑起来，看三件事

挂上编辑器调试器，按下 Fill：Fill_Seq、Fill_Valve、Fill_Light 同时变 TRUE，梯级高亮显示有电流通过；进水阀打开、水箱开始灌水、Fill 灯亮；面板从 10 开始倒数。

作者的捕获：灌水计时器显示已用 2.2 秒、剩余 7.8 秒，面板显示 8（10 − 2.2 截断取整）。一个数字同时验证了三件事：定时器在计数、算术链正确、数值真的经 Modbus 到了模拟器显示屏上。

• 互锁测试：灌水中故意按 Discharge。调试器里 Disch_Btn = TRUE，但 Disch_Seq = FALSE——命令到达了 PLC，程序拒绝了它，因为 Rung 4 要求 NOT Fill_Seq。出水阀纹丝不动。这就是互锁的意义：操作员可以按错，过程仍然正确。
• 灌水完成：10 秒到，T_Fill.Q 变 TRUE，锁存断开，进水阀自动关闭，无需再输入。
• 排水：按 Discharge 锁存 Disch_Seq，出水阀打开、第二盏灯亮、倒计时重新开始——此时调试器显示灌水定时器停在 10.0 秒、排水计时器已用 1.9 秒（剩余 8.1 秒，面板显示 8）。

十、怎么验证：三层，别只信模拟器窗口

第 1 层：先查网络路径，再怀疑逻辑。

ping 192.168.56.1                     # PLC 侧能到达模拟器吗
netstat -ano | findstr :502           # Windows：谁在监听 502
ss -ltnp | grep 502                   # Linux / macOS

如果主站打印了 Connected ... (attempt 1)，说明 socket 是通的，剩下的问题只可能在逻辑或地址映射。

第 2 层：轮询 PLC 自己的 I/O 映像。 Runtime 暴露了 502 端口的从站服务器，可以在不打开编辑器的情况下读实时输出：

# pip install pymodbus
from pymodbus.client import ModbusTcpClient

client = ModbusTcpClient("127.0.0.1", port=502)
client.connect()
coils = client.read_coils(0, 4)              # %QX0.0 .. %QX0.3
regs  = client.read_holding_registers(0, 1)  # %QW0 = Timer_Disp
print("Fill valve      :", coils.bits[0])
print("Discharge valve :", coils.bits[1])
print("Fill lamp       :", coils.bits[2])
print("Discharge lamp  :", coils.bits[3])
print("Countdown       :", regs.registers[0])
client.close()

灌水中运行：进水阀与灯 TRUE、倒计时在走、出水阀 FALSE。中途按 Discharge 什么都不该变——从 PLC 外面看到的互锁。注意：不同 pymodbus 版本可能要写成 read_coils(0, 4, slave=1) 或 device_id=1。

第 3 层：对账数字。 面板显示应该永远等于预设值 − 已用时间，截断取整。显示值与调试器里的 ET 对不上，问题就在转换梯级，而不在通信。这一层看起来只是算术，实际是在验证一条完整的端到端链路：逻辑 → 算术 → Modbus 写 → 过程显示，任何一环断了它都会先露馅。

十一、作者总结出的六条经验

1. 定时器是控制策略，不是退路。 没有液位传感器，时间就是唯一能控的量，这会改变设计：水箱不能"灌到某个液位"，只能"灌一段时间"。选了 10 秒，就等于接受液位是结果而不是目标。
2. 自锁改变了操作员的工作方式。 有锁存，按一次就启动一个会自己完成的阶段；没有锁存，操作员得按住按钮 10 秒——又累又危险。
3. 互锁属于逻辑，不属于操作规程。 把 NOT Fill_Seq 写进排水梯级，意味着任何按键顺序都不可能同时打开两个阀门；写在手册里，只是祈祷。
4. 数据方向是最容易搞错的部分。 这里是控制器当 Modbus 客户端、轮询模拟器的服务器；方向、功能码（FC 02 读、FC 15 写线圈、FC 16 写寄存器）占了通信工作的大部分。
5. 倒计时很便宜，但很值。 三条梯级就把定时器变成面向操作员的显示，而且它是最好的端到端测试：面板数字正确，就说明逻辑、算术、Modbus 写路径全都通了。
6. 顺手想一想安全。 Modbus TCP 没有认证、没有加密、没有完整性检查——任何能到达 502 端口的东西都能读写过程 I/O。这正是两个程序只需要 IP、端口和从站 ID 就连上的原因，也是真实系统必须依赖网络分段、防火墙和受监控的通道、而不是协议本身的原因。

第 6 条值得再补一句。自锁的按钮还藏着一个真实世界常见的隐患：如果按钮是电平式的、又没有上升沿检测，定时器复位后按住不放会再次触发循环。练习阶段就该养成习惯——在按钮触点前加 R_TRIG（上升沿触发），放到真实面板上时，手感和可靠性都对。

十二、10 个常见坑

十三、从虚拟实验台到真实工程

这套实验台练的是通用能力：接口盘点、数据方向、锁存、互锁、定时、端到端验证。迁移到真实项目时，通常沿着两条路走：

• 留在通用生态：把 OpenPLC 换成真实 PLC（或继续用软 PLC + 现场 I/O），把 Modbus TCP 换成实际使用的现场总线（PROFINET、EtherCAT 等），程序结构不变；
• 转向西门子博途：在博途里用同样的框架重画梯形图，再用 PLCSIM 做仿真回归。梯形图的编辑风格、定时器实例的组织方式会有差异，但锁存与互锁的结构逻辑是一样的——真正需要重新学的，是博途的工程设计习惯（符号表、数据类型、块接口）。

如果是后者，练习阶段的梯形图可以先通过 LAD2SCL 转成 SCL 源码，或从自然语言描述用 TXT2LAD 生成梯形图骨架，再进博途编译与仿真核对。练习环境里养成的验证习惯，比任何一次"能跑就行"的调试都值钱。

十四、Q&A

Q：没有 Windows 电脑，能搭这套实验台吗？ Factory I/O 与 OpenPLC Editor 都在 Windows 上跑得最顺（原文环境就是 Windows + 虚拟机网卡 192.168.56.x）。如果只有 Mac/Linux，可以先从浏览器里的梯形图仿真练起，或用支持你平台的软 PLC 替代，协议部分保持一致。

Q：一定要 Ultimate Edition 吗？ 原文用的就是 Ultimate Edition。是否必须取决于驱动支持与场景库；学习目的是把"真实协议 + 独立两半"的结构跑通，选哪个版本看官方当前的能力说明。

Q：10 秒的定时练习，改成 30 秒要动哪些地方？ 常量抽出来后只需要一处改动；如果没抽常量，就要同步改定时器 PT 和倒计时减法两处。这正是"预设值管理"这个习惯的练习点。

Q：这个实验有实际工程价值吗？ 有。它练的是真实项目的核心动作：先界定接口，再写逻辑，最后用外部手段验证。真实工程只是多了安全回路、硬件诊断和更严格的上线流程，方法是一致的。

十五、小结

虚拟实验台给到的是教科书给不了的东西：按钮、梯级、线圈和水，在同一个画面里，而且链条上的每一环——逻辑、定时、算术、Modbus 映射——都是你自己写错、再自己修好的。最终程序 14 级梯级：两个各自带定时器的锁存阶段、一条交叉互锁、两盏显示当前阶段的灯，加一个在 PLC 里计算、经总线传到过程面板的倒计时。一次按钮启动、自动结束、拒绝同时灌排。

有一台 Windows 机器和几个小时就能复现。作者下一步想加的：让急停切断两个阀门、给按钮加边沿检测，以及做一个读同一个 Modbus 服务器的小 HMI。

想先用最低配置练手，也可以从浏览器里的梯形图仿真开始：BimAnt PLC 在线仿真器 支持触点、线圈、置位/复位、定时器、计数器、比较与数学指令，打开即用；整套博途工程工具的入口见 TIA Forge。

参考来源

• @almahmudkhalif《Virtual PLC Lab: Ladder Logic Control of a Filling Tank with Factory I/O and OpenPLC over Modbus TCP》，dev.to，2026-10-09。
• 本文完整编译原文的搭台步骤、地址映射、梯形图逻辑、运行观测、三层验证与常见坑；文中截图来自原文作者实机捕获（Factory I/O / OpenPLC 界面），数字以其运行记录为准。迁移路径、Q&A 与预设值/边沿检测的展开为在来源基础上的整理，供参考。

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