基于西門子PLC與MCGS的虛擬仿真方法的實現(xiàn)＊

馬俊強，葉建蘭，梁洸強

（廣西水利電力職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530023）

PLC是工業(yè)控制中一類核心控制器，其具有可靠性高、抗干擾能力強、功能完善、設計簡單等優(yōu)點，在工業(yè)自動化領域占有重要地位。但是在實際的調試現(xiàn)場，因受諸多因素影響，其會給技術人員調試增加很多困難，因此虛擬仿真受到了大家的喜愛。通過虛擬技術，不僅可以讓技術人員進行交互實驗操作，增加真實性和直觀性，而且可以減少設計開發(fā)時間并降低成本。對于學習西門子PLC而言，雖然博圖軟件已包含了仿真軟件S7-PLCSIM，但是它采用內(nèi)部通信協(xié)議，只能與西門子HMI觸摸屏或博圖通信，而無法與外部通信，故其存在弊端。MCGS組態(tài)軟件基于Windows平臺開發(fā)，其具有全中文可視化等優(yōu)點，功能接口完善，不僅符合國內(nèi)市場需求，而且價格低廉，其在國內(nèi)市場上占有較大份額，市場應用很廣泛。因此，在實際應用中，想要學習西門子PLC軟件并建立與MCGS組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)通信，就需要搭建相應的硬件設備，這對于沒有物理設備的學習愛好者很不方便。

為了突破上述的限制，NetToPLCsim工具通過S7協(xié)議與仿真軟件S7-PLCSIM建立連接，把西門子仿真軟件里面的數(shù)據(jù)進行截取并對外開放，實現(xiàn)與第三方平臺如MCGS上位機進行數(shù)據(jù)通信，無需任何硬件設備，搭載純虛擬平臺就能達到學習和驗證的目的。

鑒于這種情況，本文提出通過西門子PLC和國產(chǎn)MCGS組態(tài)軟件搭建虛擬仿真平臺[1-2]，這對電腦的性能要求也不會增加負擔，僅僅依靠一臺計算機就可以對程序實現(xiàn)動態(tài)調試，可大大降低設備的現(xiàn)場調試時間，同時對于高校的課堂教學也增加了授課方式選擇，彌補了設備條件不足的情況，同時也方便了學生課內(nèi)課外的學習途徑。

1 虛擬仿真系統(tǒng)的軟件構成

跨平臺的網(wǎng)絡虛擬仿真需要使用到博圖V15編程軟件（PLC設備支持網(wǎng)絡通信）、仿真軟件S7-PLCSIM、國產(chǎn)MCGS組態(tài)軟件、NetToPLCsim工具等。虛擬仿真系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

圖1 虛擬仿真系統(tǒng)結構圖

（1）西門子編程軟件博圖V15。西門子博圖軟件是一款專業(yè)自動化編程軟件，是與PLC搭配使用的硬件接口平臺，自帶有S7-PLCSIM仿真工具，可以通過虛擬的方式監(jiān)控輸入輸出點的狀態(tài)、數(shù)據(jù)的存儲與交換，但是在程序調試中操作不夠直觀，對技術人員的操作靈活性要求較高。

（2）NetToPLCsim工具。NetToPLCsim作為一個橋梁工具，搭建了一個外部的以太網(wǎng)通訊平臺[3-5]，將不同網(wǎng)關之間的數(shù)據(jù)進行轉發(fā)與接收，可以自由實現(xiàn)與S7-PLCSIM仿真軟件之間的數(shù)據(jù)通訊，達到跨平臺之間數(shù)據(jù)的訪問，支持西門子S7-300／400／1200／1500 等多種型號 PLC。

（3）組態(tài)軟件MCGS。MCGS是一款基于Windows平臺開發(fā)的面向窗口對象的國產(chǎn)軟件，可以將以太網(wǎng)接口通過網(wǎng)線與外部硬件相連接，通過圖形化的組態(tài)模塊組合設計快速構建生產(chǎn)線的監(jiān)控系統(tǒng)，實時的畫面狀態(tài)監(jiān)控生產(chǎn)設備運行，操作簡單、可視性好，在自動化領域中應用十分廣泛。

2 博圖軟件與MCGS組態(tài)軟件的通訊配置

本文系統(tǒng)搭建選用MCGS組態(tài)軟件，支持以太網(wǎng)通訊協(xié)議，借助于NetToPLCsim工具作為橋梁，建立跨平臺的廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)交換平臺，實現(xiàn)了將不同網(wǎng)絡頻段的數(shù)據(jù)可以在該平臺下進行實時數(shù)據(jù)的接收、截取、發(fā)送并完成數(shù)據(jù)通信，然后通過博圖軟件的S7-PLCSIM仿真功能與組態(tài)軟件MCGS建立通訊連接。其具體連接配置如下：

（1）電腦本地網(wǎng)絡IP地址的設置

為建立PLC和MCGS之間的網(wǎng)絡連接，首先需要修改電腦本地IP以確保PLC、MCGS、電腦本地均在同一個局域網(wǎng)內(nèi)，當然，如果PLC和電腦IP不在同一網(wǎng)絡段亦可實現(xiàn)。電腦IP設置圖如圖2所示，本文電腦IP設置為192．168．0．10，子網(wǎng)掩碼設置為255．255．255．0（以下雷同）。

圖2 電腦IP設置圖

（2）博圖軟件設備組態(tài)的網(wǎng)絡設置

博圖軟件是針對S7-1200／1500系列專用的PLC設計軟件，包含了PLC編程和觸摸屏HMI組態(tài)的繪制和虛擬仿真器S7-PLCSIM，但是因為通信協(xié)議的問題導致HMI組態(tài)需要搭載西門子公司的觸摸屏才可以下載，不能夠適應現(xiàn)場設備多樣化的需要。本文主要在博圖軟件上進行設備組態(tài)，以及按照控制功能要求編寫PLC程序并仿真下載。設備組態(tài)后PLC 硬件設置 IP 地址為 192．168．0．1，PLC 硬件IP設置圖如圖3所示。因為西門子PLC需要與第三方設備MCGS組態(tài)軟件進行通信和數(shù)據(jù)交換，采用的是S7的通信協(xié)議，PLC和MCGS分別是作為客戶端（Client）和服務器端（Server），實時地不斷發(fā)送通信請求和被動接收數(shù)據(jù)，所以需要在PLC硬件配置屬性中選擇“防護與安全”，并勾選“允許來自遠程對象的PUT／GET通信訪問的功能”，這樣才能保證以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信的正常，否則將無法發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

圖3 PLC硬件IP設置圖

（3）NetToPLCsim工具建立通信網(wǎng)絡

在S7通信協(xié)議中，電腦的102端口必須作為消息傳輸代理機制使用，將該端口接收的數(shù)據(jù)包轉發(fā)到指定IP設備，不允許進行修改和占用。因此需要在管理員身份下啟動運行NetToPLCsim工具[6]，判斷102端口是否被占用，從系統(tǒng)中獲取102TCP端口為可用狀態(tài)。然后點擊“Add”按鈕，選擇Network IP Address（電腦IP地址）為192．168．0．10，Plcsim Rack／Slot（PLC安裝機架和插槽）分別為0和1，選中Enable TSAP check（允許傳輸服務訪問檢查），Name可以自由命名。在此值得注意的是，Plcsim IP Address的設置需要啟動博圖軟件的S7-PLCSIM仿真功能后方可選擇PLC的IP地址，NetToPLCsim工具參數(shù)設置如圖4所示，然后點擊“OK”按鈕完成設置。最后點擊“Start Server”按鈕，如果底部出現(xiàn)“Port102OK”和“Status”狀態(tài)顯示為“RUNNING”即表示博圖軟件上建立的設備組態(tài)可以與外部網(wǎng)絡設備進行以太網(wǎng)通訊[7]，服務器允許狀態(tài)監(jiān)控界面如圖5所示。

圖4 NetToPLCsim工具參數(shù)設置

圖5 服務器允許狀態(tài)監(jiān)控界面

如出現(xiàn)設置錯誤需要修改，只需要點擊“Stop Server”按鈕，再點擊“Modify”按鈕對相應參數(shù)修改即可。

（4）MCGS組態(tài)軟件網(wǎng)絡設置

創(chuàng)建MCGS工程，打開設備組態(tài)窗口，首先在設備工具箱中的“設備管理”里面添加Siemens_1200，如圖6所示，雙擊該設備，啟用設備編輯窗口，然后將設備屬性值的“本地 IP 地址”條目設置為192．168．0．11（本地IP不是唯一，只需要和電腦本地的IP為同一網(wǎng)絡段即可），“遠程IP地址”條目設置為192．168．0．10，“遠程端口號”條目設置為102，MCGS以太網(wǎng)設置如圖7所示。最后點擊“確認”按鈕即可，至此，西門子PLC和MCGS組態(tài)軟件之間的局域網(wǎng)平臺建立完成，可實現(xiàn)跨平臺數(shù)據(jù)的通信[8]。

圖6 設備調用Siemens_1200

圖7 MCGS以太網(wǎng)設置

3 虛擬仿真系統(tǒng)的仿真驗證

為驗證該虛擬仿真系統(tǒng)的真實有效，本文通過模擬花式噴泉的案例，圓周分布40顆燈珠，周向均布由A到H，徑向內(nèi)環(huán)1到外環(huán)5等間距分布，監(jiān)控畫面如圖8所示。按下開始按鈕后，水柱呈放射狀噴出，經(jīng)過一定時間后，水柱按逆時針方向旋轉循環(huán)向外噴射；按下停止按鈕后，不論噴泉在什么狀態(tài)，應立即停止。

圖8 MCGS監(jiān)控畫面

首先根據(jù)控制要求編寫PLC程序，然后繪制MCGS組態(tài)畫面，如圖8所示。在實時數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建監(jiān)控畫面的變量并與監(jiān)控指示燈、按鈕進行關聯(lián)，變量關聯(lián)圖如圖9所示。最后將監(jiān)控工程下載并模擬啟動運行，下載畫面如圖10所示。

圖9 變量關聯(lián)圖

圖10 下載畫面

在NetToPLCsim工具的輔助下，通過西門子PLC的在線監(jiān)控和MCGS畫面監(jiān)控聯(lián)合仿真，按下“啟動”按鈕，實現(xiàn)觸點M10．0的狀態(tài)由0變?yōu)?，同時對應的觸點M22．0及其他指示燈變量狀態(tài)也可以自動實現(xiàn)由0變?yōu)?，滿足控制要求實現(xiàn)指示燈有序的亮滅，仿真出虛擬的花式噴泉，聯(lián)合仿真監(jiān)控界面如圖11所示，實現(xiàn)了西門子PLC S7-1200／1500與國產(chǎn)MCGS組態(tài)軟件的實時數(shù)據(jù)通信。由此可知，西門子PLC與第三方的以太網(wǎng)設備（如MCGS組態(tài)軟件）聯(lián)合仿真的方法是可行的。

圖11 聯(lián)合仿真監(jiān)控界面

4 結論

本文仿真平臺系統(tǒng)采用了上位機NetToPLCsim工具、下位機博圖V15編程軟件和第三方設備MCGS組態(tài)軟件為載體進行搭建，實現(xiàn)了西門子PLC和第三方設備以太網(wǎng)軟件MCGS進行實時虛擬在線通訊，無需PLC硬件和控制實物即可實現(xiàn)各種復雜PLC控制系統(tǒng)的在線仿真與監(jiān)控。實驗結果表明，該仿真平臺具有完全開放性和操作簡易性，為在校教師、學生和工程師們進行系統(tǒng)在線驗證、調試、學習等提供了一種全新的思路，值得進一步推廣應用。