基于MCGS的PLC仿真實訓系統設計

孫松麗， 王榮林， 張桂新

(南京理工大學 泰州科技學院 機械工程學院，江蘇 泰州 225300)

?

基于MCGS的PLC仿真實訓系統設計

孫松麗， 王榮林， 張桂新

(南京理工大學 泰州科技學院 機械工程學院，江蘇 泰州 225300)

針對PLC應用技術課程特點，為提升PLC課程實踐教學效果，提出基于組態軟件MCGS的PLC仿真實訓系統設計并予以實現。仿真系統內嵌三個PLC經典控制子系統。各子系統均采用MCGS監控系統與西門子200PLC控制相結合的控制方案，由PLC實現子系統控制功能，由組態軟件MCGS實現子系統工作過程的動態實時監控。文中給出了系統的硬件設計和軟件設計。

MCGS； 仿真； 實訓； PLC； 子系統

0 引 言

PLC應用技術課程是電氣、自動化、機械工程及自動化、機械電子等專業的技術基礎課，它是在繼電器控制基礎上以微處理器為核心，集計算機技術、電氣控制技術和網絡通信技術于一體的理論與實際相結合的綜合性學科[1]。該課程內容涉及面廣，知識點多，實用性、工程性及綜合性較強，對實踐教學環節有較高的要求。實踐教學具體包括實驗教學、課程設計、社會實踐、調研、畢業實習、畢業設計等環節[2],實驗教學是培養學生實踐能力的重要環節，實驗裝置性能的好壞對學生能力鍛煉有很大影響[3]。

傳統的PLC應用技術實驗教學采用的是實驗箱或實驗臺，學生實驗時根據指示燈的變化判斷控制系統執行的正確性，實驗現象單調；若采用真實系統，則造價高、體積大、難維護，而且由于硬件固定，實驗內容的柔性差，創新性和綜合性難于擴展。與此同時，企業生產設備、工藝流程等不斷更新換代，要求教學實驗內容及相應的實驗設備也應持續升級，從而對PLC實踐建設提出更高的要求。

全中文工業自動化控制組態軟件MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于Windows平臺,用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統,集動畫顯示、流程控制、數據采集、設備控制、企業監控網絡等功能,廣泛應用于工程領域[4]。因此，本文提出設計開發基于MCGS組態技術的PLC仿真實訓系統，將MCGS組態技術與西門子200PLC控制系統相結合，以界面友好的動畫仿真PLC控制對象的動作和控制過程，實驗現象生動直觀。

1 仿真實訓系統構成

PLC控制及監控系統的仿真實驗在國內外均有研究，其類型也多種多樣，各種方案也為實現不同的目的而實施[5-8]。本仿真系統將機械手控制、自動送料小車控制、多種液體自動混合控制三個子系統作為內嵌子系統，以體現PLC控制技術的經典工程應用。從而實現將自動化控制現場帶入實驗實訓環節，增強學生對PLC技術在自控領域應用的感性認識。

系統由作為上位機的計算機與下位機S7-200PLC共同構建而成。上位機內有一個主界面作為總控平臺并安裝有MCGS組態軟件與西門子200PLC編程軟件STEP 7-Micro/WIN。下位機采用西門子CPU224PLC。MCGS軟件通過RS232轉RS485接口與下位機PLC之間進行通信，以監控PLC的控制過程。由主界面可進入各子系統模塊。內嵌的每一子系統軟件系統獨立，硬件采用通用控制柜，控制柜面板上安裝有按鈕、指示燈、各種傳感器等與PLC的I/O端口連接，子系統硬件共享。操作者既可以手動操作面板控制各子系統運行，也可以通過上位機監控面板控制子系統運行。系統控制原理圖見圖1。其中，由于步進電機在開環控制系統中的廣泛應用，通過PLC控制步進電機也是PLC的重要應用技術之一。因此，自動送料小車子系統設計為通過步進電機和絲杠組成的傳動系統帶動工作臺上的料車進行物料的運輸，步進電機和驅動器作為必備硬件配置在通用控制柜內。

圖1 仿真實訓系統控制原理圖

2 系統硬件設計

2.1 系統I/O點分配

由于子系統硬件共享，因此，PLC各I/O點在不同子系統工作環境下具有不同的分配。具體見表1。

2.2 系統硬件接線圖

圖2為系統硬件接線圖。其中Q0.0輸出端口由于在送料小車子系統中為高速脈沖輸出口，而在其它兩個子系統中均為開關量控制，兩者輸出信號性質不同，因此，在Q0.0和Q0.1兩個輸出回路中加設開關，以保證系統運行的可靠性。

表1 仿真系統I/O分配表

3 系統軟件設計

仿真系統內嵌三個子系統軟件系統獨立，每一子系統軟件系統由PLC控制軟件和MCGS組態軟件兩部分組成。PLC控制軟件采用S7-200專用編程軟件STEP 7-Micro/WIN完成各控制程序的編寫和調試，監控程序采用MCGS組態軟件設計。此處本文以多種液體自動混合子系統MCGS組態軟件設計為例進行介紹，其他子系統設計步驟類似。

由MCGS生成的用戶監控系統結構構成見圖3。通過MCGS組態軟件設計監控系統的流程為：① 打開MCGS組態環境，建立工程項目；② 通過用戶窗口設計人機界面；③ 定義數據對象，建立實時數據庫；④ 動畫連接；⑤ 設備連接[9-10]。組態之前，需首先對子系統控制要求進行分析，明確設計內容。

3.1 控制要求分析

多種液體自動混合子系統工作方式分為單周期與自動循環兩種方式。A、B、C三種液體分別存放于三個儲液罐中，A、B、C三個電磁閥分別控制A、B、C三種液體流動管道的開啟和關閉，混合液體放于混合液儲液罐中，罐中混合液滿則放液[11]。

單周期控制要求為：① 檢測混合液罐中是否有液體，有則放空，復位關閉放液電磁閥及三個進液管道電磁閥，完成工作初始化；② 按下啟動按鈕，開始進液：A閥開啟，進A液體至液位開關A動作，A閥關閉；③ B閥開啟，進B液體至液位開關B動作，B閥關閉；④ C閥開啟，進C液體至液位開關C動作，C閥關閉；⑤ 攪勻電機開啟，攪勻1 min后停止；⑥ 開啟放液閥放至混合液罐中無液體止，按下停止按鈕停止操作。自動循環則反復進行單周期工作。

3.2 MCGS監控軟件設計

結合子系統控制要求分析，按MCGS軟件設計流程，經步驟②設計的人機界面見圖4，經步驟③建立的實時數據庫(實時數據庫是工程各個部分數據交換與處理的中心[12]，建立過程即數據變量定義過程)見圖5。步驟②、③完成后人機界面中的圖形對象為靜止不動，需再經步驟④動畫連接將人機界面中的圖形對象與實時數據庫中的數據對象建立相關性連接，并設置相應的動畫屬性后，方可使人機界面中的動畫動起來。這也是MCGS實現圖形動畫設計的主要方法[13]。

液體自動混合控制子系統工作過程簡化為：放空→復位→進A液體→進B液體→進C液體→攪勻共6

圖4 液體自動混合子系統監控界面

圖5 MCGS實時數據庫

個基本過程并循環執行。為實現控制系統的控制流程，需在“運行策略”中雙擊“循環策略”，新建6個用戶策略(見圖6)并進行策略組態(見圖7)。循環策略中6個用戶策略與4個液位腳本中各有腳本程序控制，腳本程序編寫好再進入MCGS組態運行環境便可按控制流程要求呈現相應的動畫效果，進A液體用戶策略腳本程序為：

IF 液位<30 AND A液體閥門=1 THEN

液位=液位+2

加液體燈=1

ELSE

A液體閥門=0

加液體燈=0

出液閥=0

ENDIF

圖6 MCGS運行策略組態

圖7 MCGS循環策略組態

MCGS組態軟件中提出了“與設備無關”的概念，即在組態過程的前4步完成后，可在無外部設備連接的情況下對組態結果采用模擬設備進行組態測試和調試，調試通過后則可進行外部設備的硬連接。

4 設備連接及調試

為使MCGS系統能從PLC讀取數據并控制PLC的工作狀態，實現對PLC控制過程的實時監控，必須在MCGS設備窗口中通過設備構件建立MCGS系統與PLC的連接關系[14-15]。

設備連接方法如下：① 在設備窗口中添加西門子S7-200PPI設備構件并設置其屬性(見圖8)；② 正確添加PLC 存儲器信息, 在PLC子設備內部設備屬性下拉框中設置S7-200(PPI)通道屬性及其讀寫屬性(見圖8), 每一設備通道對應PLC的每一輸入端口、輸出端口及相對應的內部位(見圖9)；③ 在PLC子設備屬性中, 點擊通道連接標簽，將MCGS實時數據庫中數據變量與PLC輸入輸出端口及對應內部位建立一一對應關系(見圖10)。通道連接是設備組態的重要內容。設備連接完成后，啟動PLC運行便可通過MCGS監控界面實時監控PLC系統的動態運行過程。

5 仿真系統主界面設計

仿真系統主界面見圖11，采用可視化程序設計VB語言編寫。點擊主界面窗口中相應控制框可直接進入對應內嵌子系統。啟用子系統流程如下(以機械手搬運為例)：單擊“機械手PLC”→進入西門子S7-200PLC編程環境→下載PLC控制程序→運行PLC→關閉PLC編程環境→單擊“機械手MCGS” →進入MCGS組態軟件編程環境→下載MCGS組態軟件程序→啟動運行MCGS程序→打開監控界面。上述流程后，即可通過監控窗口實時監控PLC控制程序的工作狀態。

圖8 S7200PPI設備構件屬性及通道屬性設置

圖9 PLC輸入端口、輸出端口及對應內部位

圖10 通道連接

圖11 仿真實訓系統主界面

6 結 語

教學應用表明，該仿真實訓系統工作可靠，成功實現了動態仿真監控PLC控制系統的工作過程；系統具有開發擴展性，內嵌子系統可自由增配、升級，柔性好；以較少的硬件投入實現了豐富的實訓內容，可充分滿足實驗環節的創新驗證。

[1] 廖常初.PLC編程及應用[M]. 2版. 北京: 機械工業出版社, 2005.

[2] 吳麗珍，楊新華. 高校工科專業實踐教學的改革探索與實踐[C]//第五屆全國高校電氣工程及其自動化專業教學改革研討會，山東濟南:2011.595-598.

[3] 匡宇國. MCGS組態軟件技術在PLC教學中的交互應用研究[J].教育探索，2007，198(12): 136-137.

[4] MCGS培訓教程[M ]. 北京: 北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司, 2000.

[5] 劉大銘，于 才，何 萍. 基于PLC的自動配料系統設計[J]. 安徽農業科學，2011(30):19026-19028.

[6] 張玉華. 基于MCGS組態軟件的帶式輸送機監控系統[J].煤礦機械，2012(11):258+259.

[7] 朱 晉，虞煒華. 組態軟件在汽車零部件自動檢測系統中的應用[J].制造業自動化，2009(7):63-65.

[8] 汪 嵐. 基于PLC和MCGS的車庫自動門監控系統設計[J]. 通化師范學院學報，2013(6): 36-37+114.

[9] 吳作明. 工控組態軟件與PLC應用技術[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2007(1).

[10] 吳青萍.基于MCGS軟件的機械手控制系統研制[J].液壓與氣動，2010(10): 61-63.

[11] 王惠莉. 運用MCGS構建PLC仿真實踐教學系統[J].西南大學學報(自然科學版)，2009(7):176-179.

[12] 李紅萍，賈秀明，李藝鴻,等. 基于MCGS的S7300 PLC液位監控系統設計[J].自動化及儀器儀表，2013(1):55-56+59.

[13] 陳廣慶，劉廷瑞，楊興華. 基于MCGS組態軟件的液位串級控制系統[J].煤礦機械，2007(9): 92-94.

[14] 趙春鋒, 范小蘭, 林潔駿.基于MCGS的四層電梯仿真實驗平臺設計[J].實驗室研究與探索，2009(7): 36-37，81.

[15] 張運剛，宋小春，郭武強. 從入門到精通—工業組態技術與應用[M]. 北京：人民郵電出版社，2008.

Design of PLC Simulation Training System Based on MCGS

SUNSong-li，WANGRong-lin，ZHANGGui-xin

(School of Mechanical Engineering, Taizhou Institute of Sci. & Tech., NUST, Taizhou 225300, China)

Aiming at the characteristics of PLC application technology course, and improving teaching effect of PLC practice, a PLC simulation training system based on MCGS configuration software is designed and realized. Three classic PLC control subsystems are embedded in the simulation system. Control method of each subsystem is using the MCGS monitoring system and combining with Siemens 200 PLC control scheme. Subsystem control function is realized through PLC and dynamic real-time monitoring of system, working process is realized by configuration software MCGS. This paper gives the hardware design and software design of the system in detail.

MCGS； simulation； training； PLC； subsystem

2014-07-28

江蘇省高等學校大學生創新訓練計劃項目(201313842020X)

孫松麗(1975-)，女，山東萊州人，學士，高級工程師，研究方向：機電一體化。

Tel.：0523-86150096,13852866266;E-mail：sunsongli75@163.com

TP 273

A

1006-7167(2015)01-0087-05