基于MCGS的十字路口交通燈仿真實驗平臺設計

苗榮霞，齊立坤

（西安工業大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710021）

在現代工業自動化四大支柱中位居首位應用深廣度上，還沒有任意一種控制設備能與PLC相媲美，隨著計算機科學技術的進步，特別是計算機控制技術的發展，各行各業對PLC技術人員的需求量急劇上升，對于還在學校的自動化、電氣工程專業學生來說掌握好PLC技術已可刻不容緩，從而要更加重視PLC的學習。PLC教學實驗需要解決的關鍵問題是PLC的控制對象。PLC的傳統控制對象是實物模型，但食物模型一般存在成本高、難維護、種類少等不足。實驗裝置通常包括PLC與相關的實驗操作面板。實驗模塊上包括了按鈕和指示燈，實驗時按下相關的按鈕，起動PLC中的程序，同時模塊上對應指示燈表示PLC對控制對象的控制情況，這種用指示燈模擬顯示PLC控制對象，與實物模型相比成本低，但存在人機界面、可視性差、結果觀察不直觀等缺點。利用組態軟件制作出動畫形式直觀逼真地顯示控制對象的PLC動態控制過程，既可以克服實物模型的缺點，又可利用有限的設備結合多樣化的程序豐富學生的實驗課內容，提高本課程的理論與實驗教學水平和教學效果，提高學生對PLC實驗的興趣和理解，更好的掌握所學的內容。組態程序具有成本低、維護方便、靈活多樣、形象直觀等優點。

1 MCGS軟件介紹

MCGS是用于快速構造和生成計算機監控系統的組態軟件。它能夠在基于Microsoft的各種32位Windows平臺上運行，通過對現場數據的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案，在自動化領域有著廣泛的應用。

MCGS嵌入式體系結構分為組態環境、模擬運行環境和運行環境3部分。組態環境和模擬運行環境相當于一套完整的工具軟件，可以在PC機上運行。用戶可根據實際需要裁減其中內容。它幫助用戶設計和構造自己的組態工程并進行功能測試。

由MCGS嵌入版生成的用戶應用系統，其結構由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略5個部分構成，如圖1所示。

2 系統構成

利用MCGS組態軟件設計PLC仿真控制對象，是指在計算機上運行事先編寫好的MCGS仿真程序，用軟件提供的圖形動畫來代替硬件（被控對象）的工作，借助計算機屏幕觀察控制過程與結果。仿真PLC控制對象的實驗系統結構如圖2所示。

圖1 MCGS的組成圖Fig.1 MCGS components

圖2 系統結構圖Fig.2 System structure diagram

3 十字路口交通燈仿真實驗平臺的設計

十字路口交通燈是PLC實驗中典型示例之一，本文以該實驗為例來說明利用MCGS組態軟件進行PLC實驗仿真實驗平臺設計的的基本方法。本設計主要包括以下四個部分：監控界面的設計、運行策略、通訊設計、運行和調試。

3.1 監控界面的設計

將MCGS組態軟件用于PLC實驗教學可通過電腦動畫顯示，監控實驗的動態過程，使其具有直觀性、靈活性和參與性。

1）仿真畫面。為了能夠形象生動地表示真實的被控對象，仿真人機界面需要通過繪制逼真的平面或立體圖形來展現。在MCGS組態平臺上，進入用戶窗口的"動畫組態"，即進入監控界面制作窗口。圖3為十字路口交通燈的仿真畫面

2）建立數據庫

圖3 十字路口交通燈仿真畫面Fig.3 Crossroads traffic lights simulation screen

數據庫是MCGS軟件的核心部分，實驗項目要以動畫的形式反映在屏幕上，操作者在計算機前發布的指令也要迅速送到實驗PLC上，所有這一切都是以實時數據庫為中介環節，所以說數據庫是聯系上位機和下位機的橋梁。在組態軟件中建立一個工程，在導航器的實時數據庫中根據控制系統輸入輸出信號的數量建立相應的變量如表一，并為每個變量定義一個名稱，確定變量的類型，只要把I/O變量連結到前面定義的外部設備上，就可以和組態軟件開發的仿真系統交換數據了。

3）動畫鏈接

仿真界面設計完成后，還需要動態顯示PLC控制過程，需要對這些圖形對象進行動畫設計，形象生動的展示被控對象的變化過程，達到過程實時監控的目的。在MCGS組態軟件中實現圖形動畫設計的主要方法是將用戶窗口中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。在系統運行過程中，圖形對象的外觀和狀態特征由數據對象的實時采集值驅動，從而實現了圖形的動畫效果。動畫鏈接設計窗口如圖4所示。

3.2 運行策略

運行策略是組態軟件MCGS為用戶提供的一個比較高級的開發平臺。在這一平臺中，MCGS中包括了大量的運行策略構件，比如腳本程序、窗口操作、存盤數據瀏覽和定時計數操作等。通過運行策略這一平臺，可以編寫與設計界面有關的動畫程序或是編寫與現場控制參數有關的數據處理控制程序，還可以利用其提供的定時器構件實現現場需要的定時操作，打開關閉各種窗口及策略等。運行策略組態如圖5所示。

表1 數據對象定義表Tab.1 Data object definition table

圖4 動畫鏈接設計窗口Fig.4 Animation link design window

圖5 運行策略組態Fig.5 Operation strategy configuration

3.3 通訊設計

設備構件是MCGS系統對外部設備實施設備驅動的中間媒介，通過建立的數據通道，在實時數據庫與測控對象之間，實現數據交換，達到對外部設備的工作狀態進行實時檢測與控制的目的。MCGS系統內部設立有“設備工具箱”，工具箱內提供了與常用硬件設備相匹配的設備構件。在設備窗口內配置設備構件的操作方法是：

1）選擇工作臺窗口中的“設備窗口”標簽，進入設備窗口頁。

2）鼠標雙擊設備窗口圖標或單擊“設備組態”按鈕，打開設備組態窗口。

圖6 設備工具箱Fig.6 Equipment toolbox

圖7 設備組態窗口Fig.7 Device configuration window

3）在設備組態窗口中單擊右鍵或單擊工具箱按鈕，單擊打開設備工具箱，見圖6。

4）雙擊設備工具箱中的串口通訊父設備，便完成了將其添加到設備組態窗口，用同樣的方法可將西門子S7-200PPI添加到設備組態窗口，見圖7。

3.4 運行和調試

工程初步建立起來后，進入到運行和調試階段。在組態軟件開發系統中選擇“文件 切換到 View”菜單命令，進入MCGS運行系統。在運行系統中選擇“畫面 打開”命令，從“打開畫面”窗口選擇“T e s t”畫面。

4 結 論

基于MCGS組態軟件的PLC實驗教學，充分體現了MCGS組態軟件的強大數據處理和圖形表現能力與強抗干擾能力的完美結合，是PLC實驗教學方式的一種探索、一種改革、一種進步。PLC以及組態軟件就可以完成整個教學實驗系統的開發，這樣就解決了各高校開展PLC實驗課題難或無法開展PLC實驗課題的問題，與傳統的實驗方法相比，基于組態軟件的PLC控制系統仿真實現的優點在于:實驗經費少、實驗設備簡單、實驗條件容易滿足、安全系數高、實驗現象直觀、提高學生學習興趣等。

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