基于MCGS的PLC實(shí)踐教學(xué)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝曉媛

【摘 要】本文針對可編程控制器（PLC）課程教學(xué)中硬件更新慢、學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會少、教學(xué)模式單一等問題，提出構(gòu)建基于MCGS的PLC實(shí)踐教學(xué)仿真系統(tǒng)，主要是將MCGS嵌入版組態(tài)軟件和PLC編程軟件相結(jié)合，以軟件平臺為基礎(chǔ)進(jìn)行仿真開發(fā)。該系統(tǒng)的總體內(nèi)容由PLC的基本邏輯指令實(shí)訓(xùn)、PLC指令步進(jìn)指令實(shí)訓(xùn)和綜合實(shí)訓(xùn)等三個(gè)大項(xiàng)目構(gòu)成，包括一個(gè)主界面和14個(gè)子任務(wù)系統(tǒng)，并以智能自動(dòng)運(yùn)貨小車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說明。

【關(guān)鍵詞】MCGS嵌入版? 可編程控制器（PLC）? 實(shí)踐教學(xué)仿真? 設(shè)計(jì)

【中圖分類號】G? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）12C-0187-04

可編程控制器（PLC）是融合自動(dòng)控制、通信、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的一種現(xiàn)代化自動(dòng)控制設(shè)備。目前，工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用PLC設(shè)備。為了滿足社會工業(yè)領(lǐng)域人才需求，高職院校的電氣自動(dòng)化、機(jī)電一體化、機(jī)械自動(dòng)化等專業(yè)都開設(shè)有PLC技術(shù)應(yīng)用方面的課程。高職PLC技術(shù)應(yīng)用是一門綜合與實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的實(shí)踐操作環(huán)節(jié)至關(guān)重要，PLC課程理論知識的掌握都要通過實(shí)踐進(jìn)行實(shí)際操作，學(xué)生才能真正掌握本門課程的核心技術(shù)。本文探索基于MCGS的PLC實(shí)踐教學(xué)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、可編程控制器（PLC）課程存在的問題

以前大部分的PLC課程教學(xué)以教師為中心，非常重視教師的主導(dǎo)作用，有利于本課程理論知識的系統(tǒng)傳授。以教師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式培養(yǎng)了大批理論知識基礎(chǔ)扎實(shí)的學(xué)生，但實(shí)踐動(dòng)手操作能力較差，不能適應(yīng)企業(yè)崗位的需求。以教師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式一直存在以下三個(gè)問題：

第一，硬件更新慢。PLC是控制系統(tǒng)的核心技術(shù)，發(fā)展速度快，PLC品牌琳瑯滿目，最新產(chǎn)品的PLC價(jià)格也比較昂貴。為了節(jié)約實(shí)訓(xùn)設(shè)備的成本與資金，學(xué)校的教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備年年重復(fù)使用，導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)設(shè)備與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)使用的設(shè)備嚴(yán)重脫節(jié)。

第二，學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會少。企業(yè)對自動(dòng)方面的人才需求增加，報(bào)讀自動(dòng)方面專業(yè)的學(xué)生人數(shù)增加，但學(xué)校的教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備增加的速度嚴(yán)重滯后于學(xué)生人數(shù)增加的速度，導(dǎo)致學(xué)生動(dòng)手操作實(shí)踐的機(jī)會減少。

第三，教學(xué)模式單一。由于實(shí)訓(xùn)設(shè)備缺乏，課程的教學(xué)大部時(shí)間在教室完成，不能體現(xiàn)PLC課程是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程特點(diǎn)，也不利于學(xué)生掌握理論知識。

目前，部分高職院校現(xiàn)有PLC實(shí)訓(xùn)設(shè)備不足以滿足學(xué)生實(shí)踐課程及實(shí)際操作的上課的需求，為了更好地解決學(xué)校自動(dòng)化、機(jī)電、機(jī)械等專業(yè)開設(shè)PLC實(shí)踐課難的問題，廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院設(shè)計(jì)了基于MCGS的PLC實(shí)踐教學(xué)仿真系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)。學(xué)生上實(shí)踐課時(shí)可以不依賴硬件設(shè)備，通過仿真軟件仿真工業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)化設(shè)備的控制過程。學(xué)生通過利用組態(tài)軟件提供的元件，仿真實(shí)際工業(yè)控制的工作界面，編寫腳本控制程序控制仿真元件，以仿真的形式來加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。同時(shí)，學(xué)生只需要一臺電腦，就可以不受時(shí)間、地點(diǎn)、實(shí)訓(xùn)硬件設(shè)備的限制開展PLC課程的學(xué)習(xí)，軟件仿真學(xué)習(xí)給學(xué)生學(xué)習(xí)的空間與時(shí)間留有足夠的發(fā)揮空間，具有良好的擴(kuò)展性，讓學(xué)生的創(chuàng)造性思維和動(dòng)手能力能有極大的自由發(fā)揮。

二、MCGS組態(tài)軟件

MCGS是北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司開發(fā)的一套基于Windows32位系統(tǒng)的平臺，可用于快速生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。MCGS組態(tài)軟件與外部的硬件結(jié)合使用，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制。MCGS組態(tài)軟件的普通用戶可以簡單、方便、快速的利用簡單的模塊化組態(tài)即可搭建自己的應(yīng)用系統(tǒng)，可以構(gòu)造自動(dòng)控制智能儀表、現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集模塊、人機(jī)界面等專用設(shè)備。MCGS組態(tài)軟件有三個(gè)版本，分別是網(wǎng)絡(luò)版、通用版、嵌入版。基于MCGS的PLC實(shí)踐教學(xué)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我們應(yīng)用MCGS目前最新的嵌入版7.7版本來進(jìn)行開發(fā)。嵌入版是在通用版的基礎(chǔ)上開發(fā)的組態(tài)軟件，它是嵌入式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的一款組態(tài)軟件，能夠更好地為用戶提供解決實(shí)際自動(dòng)控制領(lǐng)域工程問題的完整性方案的開發(fā)平臺，能夠更好地完成自動(dòng)控制設(shè)備現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、報(bào)警、流程控制、動(dòng)畫顯示、趨勢曲線、報(bào)表輸出、企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。

MCGS嵌入版7.7版本由兩個(gè)部分組成，分別是組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境。組態(tài)環(huán)境可作為一套完整的設(shè)計(jì)工具軟件，用戶可以方便地用來設(shè)計(jì)和構(gòu)造自己的監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)。運(yùn)行環(huán)境則依據(jù)用戶在組態(tài)環(huán)境中構(gòu)造的組態(tài)工程并以用戶設(shè)計(jì)的方案運(yùn)行，同時(shí)進(jìn)行各種數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)用戶設(shè)計(jì)的目標(biāo)和功能。MCGS嵌入版構(gòu)建的用戶應(yīng)用系統(tǒng)由五個(gè)部分構(gòu)成，分別是主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行策略。在一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中，每一部分既獨(dú)立又相互有聯(lián)系，分別執(zhí)行不同的操作，完成不同的功能，具有不同的特性。

三、基于MCGS的PLC實(shí)踐教學(xué)仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

（一）仿真系統(tǒng)的內(nèi)容。PLC實(shí)踐教學(xué)仿真系統(tǒng)實(shí)踐內(nèi)容的選取上，重點(diǎn)是提升學(xué)生的技術(shù)能力，學(xué)生的動(dòng)手能力與技術(shù)應(yīng)用能力結(jié)合為一體培養(yǎng)，著力培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手和解決實(shí)際工程問題的能力。同時(shí)，也根據(jù)PLC應(yīng)用技術(shù)的課程特點(diǎn)和學(xué)生學(xué)習(xí)的規(guī)律，按照由PLC的基本邏輯指令到步進(jìn)控制指令、由簡單語句到復(fù)雜語句、由基本邏輯指令的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容到綜合實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容等結(jié)構(gòu)順序設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，在MCGS組態(tài)軟件平臺下構(gòu)建完成。

整個(gè)系統(tǒng)的總體內(nèi)容由三個(gè)大項(xiàng)目構(gòu)成，內(nèi)容分別為PLC的基本邏輯指令實(shí)訓(xùn)、PLC指令步進(jìn)指令實(shí)訓(xùn)和綜合實(shí)訓(xùn)等。三個(gè)大項(xiàng)目分別是：項(xiàng)目一，包括三相異步電動(dòng)機(jī)單向運(yùn)轉(zhuǎn)、三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)、三相異步電動(dòng)機(jī)順序控制、三相異步電動(dòng)機(jī)Y-△降壓啟動(dòng)控制共4個(gè)實(shí)訓(xùn)任務(wù);項(xiàng)目二，是PLC指令步進(jìn)指令實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，包括十字路口交通信號燈控制、倉庫自動(dòng)門控制、城市霓虹燈控制、大功率加熱棒功率調(diào)節(jié)控制、校園照明燈控制、智能密碼鎖控制、5人競賽搶答器控制共7個(gè)實(shí)訓(xùn)任務(wù)。項(xiàng)目三，綜合實(shí)訓(xùn)有智能自動(dòng)運(yùn)貨小車控制、搬運(yùn)機(jī)械手控制、四層電梯控制共3個(gè)實(shí)訓(xùn)任務(wù)。整個(gè)系統(tǒng)一共包含14個(gè)具體典型的實(shí)訓(xùn)任務(wù)，實(shí)訓(xùn)任務(wù)內(nèi)容由淺入深，循序漸進(jìn)，強(qiáng)化學(xué)生對PLC的基本指令的理解和應(yīng)用，進(jìn)一步讓學(xué)生掌握PLC程序和MCGS程序編寫的流程、PLC編程軟件和組態(tài)軟件的通信設(shè)置。同時(shí)，還可以通過仿真測試實(shí)訓(xùn)提高學(xué)生對本門課程的興趣。

（二）系統(tǒng)軟件的構(gòu)成。該仿真系統(tǒng)主要是在計(jì)算機(jī)上通過軟件來完成仿真，與外界的硬件沒有任何的聯(lián)系。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，上位機(jī)是以MCGS嵌入版7.7版為設(shè)計(jì)平臺和三菱PLC編程軟件GX Developer，下位機(jī)采用三菱PLC編程軟件GX Developer來代替PLC硬件。MCGS具有強(qiáng)大的通信功能，通過RS232接口與PLC之間進(jìn)行通信，并監(jiān)控PLC內(nèi)部的所有存儲器、控制器及I/O接口的狀態(tài)，通過變量值的形式傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，供上位機(jī)使用、處理。

該仿真系統(tǒng)主要包括一個(gè)主界面和14個(gè)子任務(wù)系統(tǒng)，由主界面可以進(jìn)入各個(gè)子任務(wù)系統(tǒng)模塊，每一個(gè)子任務(wù)系統(tǒng)都是按照相同的設(shè)計(jì)流程來完成的，該系統(tǒng)具體的組態(tài)設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

（三）智能自動(dòng)運(yùn)貨小車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例。具體如下：

1.智能自動(dòng)運(yùn)貨小車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。智能自動(dòng)運(yùn)貨小車運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖如圖3所示。按下啟動(dòng)按鈕，小車開始裝貨，即裝貨電磁鐵得電，總倉庫門打開，開始裝貨，裝貨時(shí)間為3秒。裝貨完畢，從總倉庫出發(fā)，小車電機(jī)正轉(zhuǎn)向前運(yùn)行，駛向1號儲貨倉庫，抵達(dá)后制動(dòng)，小車卸貨電磁鐵得電，開始向1號儲貨庫卸料，卸貨時(shí)間為3秒，卸貨完畢，返回總倉庫。再一次裝貨，然后又出發(fā)向二號儲貨倉庫運(yùn)貨，抵達(dá)后制動(dòng)、卸貨，返回總倉庫。再一次裝貨，然后又一次向前運(yùn)行駛向三號儲貨庫，抵達(dá)后制動(dòng)、卸貨，返回總倉庫。

小車運(yùn)行軌跡可分為三種：單步執(zhí)行、單循環(huán)執(zhí)行、自動(dòng)執(zhí)行。單步執(zhí)行方式下每按一次按鈕，小車從總倉庫運(yùn)貨到一個(gè)儲貨庫后返回總倉庫，如小車從總倉庫運(yùn)貨到二號儲貨庫后返回。單循環(huán)執(zhí)行方式下，則按系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求運(yùn)行，給每一個(gè)儲貨庫運(yùn)送一次貨后自動(dòng)返回總倉庫后自動(dòng)停止。自動(dòng)執(zhí)行方式下，小車則按照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，一直不停往返運(yùn)行送貨，直到按下停止按鈕后才停止運(yùn)行。

2.智能自動(dòng)運(yùn)貨小車控制系統(tǒng)用戶窗口的設(shè)計(jì)。根據(jù)智能自動(dòng)運(yùn)貨小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，在MCGS嵌入版7.7版平臺上創(chuàng)建一個(gè)用戶窗口，然后再創(chuàng)建圖形控件并設(shè)置變量。在組態(tài)軟件的圖庫中，小車、指示燈、按鈕等部是現(xiàn)成的，直接調(diào)用即可，限位開關(guān)采用開關(guān)3控件代替，總倉庫和儲貨庫用矩形圖形來表示。本系統(tǒng)使用三菱FX2N的PLC，該系統(tǒng)的輸入輸出I/O地址分配見表1。

3.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中建立對象。在MCGS嵌入版7.7版工作平臺的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫窗口頁面中，按“對象屬性”按鈕，出現(xiàn)對象屬性設(shè)置對話框后，改變數(shù)據(jù)對象的名稱和類型。運(yùn)貨小車控制系統(tǒng)定義數(shù)據(jù)對象如圖4所示。

4.動(dòng)畫屬性并關(guān)聯(lián)對象設(shè)置。為了使總倉庫放貨和儲貨庫的裝貨過程形象逼真，總倉庫的放貨和儲貨庫的裝貨過程用圖形從上到下的流動(dòng)狀態(tài)控件來顯示，流動(dòng)塊動(dòng)畫屬性設(shè)置如圖5所示。當(dāng)小車的運(yùn)動(dòng)方向改變時(shí)，小車頭的位置也隨著改變方向，為了讓小車與真實(shí)的小車運(yùn)動(dòng)軌跡相同，增加了小車可見度功能，加上反向小車的圖標(biāo)，小車可見度功能設(shè)置如圖6所示。運(yùn)貨小車的前進(jìn)和后退的動(dòng)畫效果，是通過小車發(fā)生位移的水平坐標(biāo)的變化來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)小車停放在總倉庫位置下時(shí)的相對水平坐標(biāo)設(shè)置為原點(diǎn)，一號、二號、三號儲貨庫的相對水平坐標(biāo)依次為250、500、700。小車的水平移動(dòng)的距離，用車移動(dòng)值這一變量來表示，車移動(dòng)值的變化范圍從0～750，相對應(yīng)的移動(dòng)像素為0～750。因此，可以根據(jù)車移動(dòng)值的大小判斷小車當(dāng)前的狀態(tài)是前進(jìn)還是后退。小車移動(dòng)動(dòng)畫屬性設(shè)置如圖6所示。

5.MCGS腳本程序的設(shè)計(jì)。具體如下：

（1）智能自動(dòng)運(yùn)貨小車的工作模式選擇。當(dāng)選擇單步執(zhí)行工作模式時(shí)，按下單步執(zhí)行按鈕，單步設(shè)置為1，即M4=1;同理，當(dāng)選擇單循環(huán)執(zhí)行工作模式時(shí)，按下單循環(huán)執(zhí)行按鈕，此時(shí)單循環(huán)設(shè)置為1，即M6=1;當(dāng)選擇自動(dòng)執(zhí)行工作模式時(shí)，按下自動(dòng)運(yùn)行按鈕，自動(dòng)設(shè)置為1，M5=1。

（2）智能自動(dòng)運(yùn)貨小車到達(dá)限位開關(guān)的判斷。當(dāng)小車的橫坐標(biāo)在-5和+5之間的時(shí)，原點(diǎn)限位開關(guān)被壓下，原點(diǎn)限位=1，即M0=1;原點(diǎn)限位開關(guān)被壓下時(shí)，原點(diǎn)限位=0，即M0=0。按照相同的方法設(shè)置一號儲貨庫、二號儲貨庫、三號儲貨庫的限位開關(guān)的參數(shù)，組態(tài)限位開關(guān)的腳本程序如下：

IF車移動(dòng)值>=-5and車移動(dòng)值<=5THEN

原點(diǎn)=1

ELSE

原點(diǎn)=0

ENDIF

IF車移動(dòng)值>240and車移動(dòng)值<260THEN

一號庫限位=1

ELSE

一號庫限位=0

ENDIF

IF車移動(dòng)值>490and車移動(dòng)值<510THEN

二號庫限位=1

ELSE

二號庫限位=0

ENDIF

IF車移動(dòng)值>=745and車移動(dòng)值<=755THEN

三號庫限位=1

ELSE

三號庫限位=0

ENDIF

（3）小車的前進(jìn)和后退。當(dāng)小車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)，設(shè)置Y0=1時(shí)，小車向前運(yùn)動(dòng)，即小車向儲貨庫方向運(yùn)行;當(dāng)小車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，設(shè)置Y1=1時(shí)，小車后退，即從儲貨庫向總倉庫運(yùn)行。小車前進(jìn)和后退的腳本程序如下：

IFY0=1THEN

車移動(dòng)值=車移動(dòng)值+5

endif

IFY1=1THEN

車移動(dòng)值=車移動(dòng)值+5

endif。

（4）PLC程序。在三菱PLC編程軟件GX Developer環(huán)境下，編寫智能自動(dòng)運(yùn)貨小車的PLC程序如下：

6.運(yùn)行調(diào)試。在MCGS組態(tài)環(huán)境中，點(diǎn)擊“下載配置”工具，然后在下載配置窗口中點(diǎn)擊“模擬運(yùn)行”—“工程下載”—“啟動(dòng)運(yùn)行”;接著下載PLC程序，啟動(dòng)PLC。完成以上操作便可通過組態(tài)監(jiān)控屏幕上的相應(yīng)按鈕，或控制面板上的按鈕實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，系統(tǒng)工作狀態(tài)便會通過組態(tài)畫面實(shí)現(xiàn)仿真，從而達(dá)到與實(shí)際生產(chǎn)工作控制系統(tǒng)等同的效果。智能自動(dòng)運(yùn)貨小車控制系統(tǒng)仿真運(yùn)行圖如圖7所示。

基于MCGS的PLC實(shí)踐教學(xué)仿真系統(tǒng)，無須連接PLC硬件設(shè)備，即可將實(shí)際工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備的現(xiàn)場控制過程在課堂上清楚完整地展現(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)模擬仿真控制具體設(shè)備對象，用軟件代替硬件，大大地降低了教學(xué)成本，給學(xué)校節(jié)約大量的實(shí)訓(xùn)設(shè)備經(jīng)費(fèi)，學(xué)生在計(jì)算機(jī)仿真實(shí)訓(xùn)室可觀察現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備的控制效果，使學(xué)生對PLC課程的理論知識有質(zhì)的飛躍，極大地加深了學(xué)生對核心技術(shù)知識的理解，提高了高職學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)造創(chuàng)新思維。

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