基于MCGS的S7-1200 PLC仿真實驗系統設計

摘要：傳統的PLC實驗設備體積大、價格高、臺套數受限，針對此問題，提出了基于MCGS組態軟件的S7-1200 PLC仿真實驗系統設計方案。在組態軟件中創建虛擬的被控對象，以直觀生動的組態畫面顯示控制過程，能夠快速判斷PLC控制程序是否正確。以液壓滑臺控制為例，闡述了PLC仿真實驗系統的開發過程，實驗結果表明，仿真實驗系統能夠形象直觀地反映被控過程，能有效激發學生學習興趣。

關鍵詞：MCGS；PLC；仿真；實驗系統

中圖分類號：TP391.9? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）11-0018-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.005

0? ? 引言

隨著自動化技術的不斷發展和智能制造戰略的實施，PLC技術的應用越來越廣泛，PLC的應用能力培養也逐漸受到了自動化相關專業的重視，因此PLC實驗教學在PLC教學中的地位顯得尤為重要。在PLC的教學過程中，經常會采用一些典型控制案例進行講解，如機械手、水塔供水、滑臺鉆床、灌裝生產線等設備和過程的控制。這些被控對象體積大、價格昂貴、維修困難，在實驗室搭建實物對象困難較大，也無法保證臺套數[1]。傳統PLC實驗教學是利用開關、按鈕等的接通和關斷來手動模擬被控對象工作狀態的變化，通過LED的亮滅指示輸出量的變化情況，以此來完成教學任務。但該實驗方法直觀性差，在模擬工作狀態過程中容易產生失誤，影響實驗效果，不能滿足實驗教學的需要[2-3]。為解決上述問題，本文利用MCGS設計了西門子S7-1200 PLC的仿真實驗系統，通過組態軟件模擬被控對象的實際運行過程，PLC控制程序與組態軟件進行數據交互實現對被控對象的控制，程序執行結果直接動態顯示在組態畫面上，整個過程直觀生動。

1? ? MCGS簡介

MCGS（Monitor and Control Generated System）是由北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司開發的基于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。本文所設計的S7-1200 PLC仿真實驗系統采用MCGS嵌入版組態軟件進行開發。MCGS嵌入版組態軟件是昆侖通態公司專門為其觸摸屏產品MCGS TPC開發的組態軟件。MCGS嵌入版組態軟件與MCGS觸摸屏結合，可以快速方便地開發各種用于現場采集、數據處理和控制的設備。MCGS嵌入版有兩個環境，分別是組態環境和模擬運行環境。組態環境功能用來設計及構造監控應用系統；模擬運行環境的使用解決了用戶組態時必須將PC機和觸摸屏相連的問題，用戶在模擬運行環境中就可以查看組態界面的美觀性、功能的實現情況以及性能的合理性。

2? ? 基于MCGS的S7-1200 PLC仿真實驗系統組成

該仿真實驗系統的結構組成如圖1所示，PC機、S7-1200 PLC和MCGS觸摸屏通過以太網線經交換機相連接。PC機上安裝有MCGS嵌入版組態軟件和西門子博途軟件，主要負責PLC程序的編寫和組態畫面的設計，編寫好的PLC程序和組態畫面可以通過以太網分別下載到PLC和觸摸屏中。S7-1200 PLC的IP地址設置為192.168.0.1；MCGS觸摸屏選用具有以太網口的TPC 7602Ti，其IP地址為192.168.0.100。觸摸屏和PLC在同一網段，實驗教學時兩者可進行數據通信，通過PLC程序控制仿真實驗系統，實驗的運行結果實時直觀地在觸摸屏上顯示。

3? ? 仿真實驗設計實例

本文以液壓滑臺控制實驗為例，闡述仿真實驗系統的具體設計過程。

3.1? ? 液壓滑臺控制系統設計要求

當液壓滑臺在原點位置SQ1時，按下啟動按鈕SB1后按如下順序工作：滑臺快進→至SQ2后滑臺工進→到達SQ3滑臺停留2 s→2 s后滑臺快退→返回至SQ1停止。若滑臺不在原點位置，則按下快退按鈕SB2可使滑臺返回原點位置。液壓滑臺的運動是通過3個電磁閥的接通和關斷來控制的，僅YV1接通時，滑臺快進；YV1和YV2同時接通時，滑臺工進；僅YV3接通時，滑臺快退。按下停止按鈕SB3可以使3個電磁閥全部關斷，滑臺停止。

3.2? ? 設計組態畫面

在MCGS組態軟件上建立一個新的工程項目，在設備管理中為項目添加所使用的西門子S7-1200 PLC，在設備編輯窗口中設置本地IP地址為192.168.0.100，設置遠端IP地址為192.168.0.1。設備添加好后為項目創建用戶窗口，本項目一共需要兩個用戶窗口：主窗口和報警窗口。主窗口負責實現虛擬實驗系統，報警窗口用來顯示報警信息。下面主要介紹主窗口的畫面組態，依據液壓滑臺控制要求設計的主窗口組態畫面如圖2所示。

圖2中，采用矩形塊作為液壓滑臺，利用水管圖案作為滑臺軌道；3個行程開關使用指示燈控件實現，紅色表示滑臺不在該位置，綠色表示滑臺正處于該位置；3個電磁閥同樣采用指示燈進行監控，綠色表示電磁閥接通，紅色表示電磁閥關斷。畫面中還按照實驗要求添加了3個按鈕：啟動、停止、快退。除此之外，還專門設計了一個系統復位按鈕，利用該按鈕可以將實驗系統快速還原為初始狀態。

3.3? ? 建立變量和關聯通道

為了使畫面構件能夠和PLC完成數據交互，需要在MCGS的實時數據庫中建立相關的變量[4]。一方面，這些變量與PLC的相關通道進行連接，PLC通道建立以及與MCGS變量的連接在設備編輯窗口中完成；另一方面，MCGS變量還可以通過組態設置和腳本程序編寫同窗口的畫面構件相關聯。液壓滑臺控制仿真實驗系統的變量表如表1所示，其中，Pos變量用于控制滑臺矩形塊水平移動，和滑臺矩形塊的水平移動屬性相關聯，Pos的范圍設置在-20～600；AMsg變量為報警信息文本，在報警窗口中使用。

3.4? ? 滑臺動畫和行程開關信息刷新

當PLC控制程序驅動3個電磁閥時，在仿真實驗系統中的滑臺矩形塊應根據電磁閥的狀態進行快進、工進、快退等動畫演示，同時根據滑臺矩形塊的位置變量Pos的大小決定3個行程開關SQ1、SQ2、SQ3的狀態，行程開關通過數據交互傳遞給PLC控制程序，從而起到仿真被控對象實際動作過程的目的。要實現這一目的，腳本程序的編寫是必不可少的[5]。腳本程序在MCGS的循環策略中編寫，循環時間設置為100 ms。循環策略腳本程序如下：

IF YV1 = 1 AND YV2 = 0 AND YV3 = 0 THEN Pos = Pos +4

IF YV1 = 1 AND YV2 = 1 AND YV3 = 0 THEN Pos = Pos +2

IF YV1 = 0 AND YV2 = 0 AND YV3 = 1 THEN Pos = Pos -4

IF Pos >= -5 AND Pos <= 5 THEN

SQ1 = 1

ELSE

SQ1 = 0

ENDIF

IF Pos >= 280 AND Pos <= 290 THEN

SQ2 = 1

ELSE

SQ2 = 0

ENDIF

IF Pos >= 448 AND Pos <= 452 THEN

SQ3 = 1

ELSE

SQ3 = 0

ENDIF

IF Pos <= -10 THEN AMsg = "滑臺位置已超左限！！"

IF Pos >= 550 THEN AMsg = "滑臺位置已超右限！！"

IF Pos<=-10 OR Pos>=550 THEN 用戶窗口.報警窗口.Open（ ）

腳本程序一開始通過IF語句判斷電磁閥的狀態，滿足快進條件時，滑臺矩形塊的位置增加4，即每100 ms移動4個像素，從而形成滑臺快速向右移動的動畫效果；滿足工進狀態時，滑臺矩形塊的位置增加2，即每100 ms移動2個像素，從而形成滑臺慢速向右移動的動畫效果；快退的實現過程類似。接下來的程序是通過滑臺位置Pos來刷新行程開關的狀態，當Pos值在-5～5時，SQ1變量為1，表示滑臺到達原點，否則為0；其他行程開關的判斷方法類似。如果PLC控制程序沒有編寫正確，導致滑臺一直向右運行，當Pos值超出550時，認為滑臺到達右限位，此時彈出報警窗口并顯示“滑臺位置已超右限！！”的報警信息；超出左限的處理過程類似。

3.5? ? 系統復位功能

在使用液壓滑臺實驗系統進行實驗教學時，會遇到因程序編寫的原因造成系統并未按照預計方式動作或在運行過程中按下了停止鍵的情況，這時整個系統會隨機停止在某個工作狀態，此時只要按下系統復位按鈕，就可以使系統瞬時回到初始狀態，方便進行下一次調試。系統的復位功能是通過對畫面中復位按鈕編寫腳本程序實現的。復位按鈕的按下腳本程序如下：

YV1 = 0; YV2 = 0; YV3 = 0; Pos = 0

按下復位按鈕后，3個電磁閥的值均復位為0，同時Pos變量被賦值為0，滑臺矩形塊回到原點，在下一個循環策略執行過后，3個行程開關值分別為SQ1=1、SQ2=0、SQ3=0，系統回到初始狀態。

3.6? ? 仿真實驗系統的運行調試

打開MCGS軟件，點擊“工具”→“下載配置”，將組態好的項目文件下載到觸摸屏后啟動運行，此時的觸摸屏畫面就相當于一個虛擬的液壓滑臺實驗系統。在西門子的博途軟件中進行PLC控制程序的編寫，注意PLC程序中的變量應與預先約定的通道一致，即按照表1來定義PLC的變量，將編寫好的PLC控制程序下載到S7-1200 PLC中。點擊觸摸屏上的啟動按鈕，就能觀察到液壓滑臺能夠按照設計要求進行運行，3個電磁閥和3個行程開關也均能實時更新通斷狀態，如果所編寫的程序不能正確運行，可以很直觀地從運行過程中找出程序存在的問題，及時進行修改。

4? ? 結論

基于MCGS的S7-1200 PLC仿真實驗系統能夠形象直觀地反映PLC控制程序的控制效果，有助于快速判斷PLC控制程序編寫是否正確。仿真實驗系統解決了PLC實驗教學中設備缺乏、可操作性差、臺套數受限等問題，有利于激發學生學習興趣，提升教師教學質量。

[參考文獻]

[1] 周美蘭，張宇，吳曉剛，等.基于西門子PLC虛擬仿真實驗系統的設計[J].高師理科學刊，2022，42（5）：90-94.

[2] 張曉萍.基于工業組態軟件的PLC虛擬實驗控制系統研究[J].中外企業家，2018（34）：165-166.

[3] 于廣，韓雪，吳桐.基于MCGS的可編程邏輯控制器仿真實訓平臺設計[J].自動化技術與應用，2022，41（2）：125-129.

[4] 靳雷，薛韶燁.基于MCGS的PLC虛擬監控系統平臺[J].電氣傳動自動化，2021，43（3）：33-36.

[5] 宋珂，羅婕，楊林豐，等.基于MCGS和PLC的仿真實驗教學設計[J].工業控制計算機，2019，32（3）：21-23.

收稿日期：2023-02-22

作者簡介：李國柱（1976—），男，山西長治人，碩士，副教授，研究方向：電氣控制。