MCGS組態(tài)軟件在PLC實驗項目中的應(yīng)用

摘要：為應(yīng)對傳統(tǒng)PLC實驗教學中邏輯抽象、場景固化及學生工程實踐能力培養(yǎng)不足等問題，該研究提出并實踐了一套融合MCGS組態(tài)軟件的教學改革方案。該方案以構(gòu)建“軟件仿真+硬件實操”的虛實結(jié)合實驗?zāi)Ｊ綖楹诵模ㄟ^設(shè)計多層次、項目化的實驗內(nèi)容，實現(xiàn)了PLC底層控制邏輯與上層HMI可視化監(jiān)控的深度整合。新疆工程學院的教學實踐表明，該模式顯著增強了教學過程的直觀性與交互性，有效提升了學生的系統(tǒng)設(shè)計、工程實踐及創(chuàng)新思維能力，為自動化類專業(yè)實驗教學的優(yōu)化提供了可復(fù)制的范例。

關(guān)鍵詞：MCGS組態(tài)軟件；PLC實驗；教學改革；實踐能力；可視化監(jiān)控

中圖分類號：TP391.72?" " " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）28-0123-03

開放科學（資源服務(wù)） 標識碼（OSID）

0 引言

PLC（可編程邏輯控制器） 是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機、自動控制和通信等技術(shù)的一種新型通用工業(yè)控制裝置[1]。它具有結(jié)構(gòu)簡單、編程方便、可靠性高等優(yōu)點，作為工業(yè)自動化的核心控制設(shè)備，是自動化、電氣工程及其自動化等專業(yè)的核心課程內(nèi)容[2]。實驗教學作為連接理論與工程實踐的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響學生對控制邏輯的理解和工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

傳統(tǒng)模式在教學過程中主要存在以下3方面問題：1） 認知層面，開設(shè)的實驗大多通過按鈕、開關(guān)輸入指令，通過繼電器的吸合或指示燈的開閉來觀察結(jié)果，整個過程靜態(tài)、抽象，難以直觀展示控制邏輯與被控對象動作間的動態(tài)聯(lián)系，學生理解起來有困難。2） 實踐層面，《電氣控制技術(shù)與PLC》實驗開展需要配備足夠臺套數(shù)的PLC主機、擴展模塊及各種被控對象模型（如電梯、機械手、立體倉庫等） ，實體模型的數(shù)量和種類有限，實驗項目開展多為單一、基礎(chǔ)的“星三角啟動、燈光控制”等，所編寫的PLC程序大多通過硬件指示燈的亮滅、機械運動等方式呈現(xiàn)，難以開展綜合性、設(shè)計性的復(fù)雜項目，限制了學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)[3]。3） 資源與安全層面，學生接線操作不熟練易導致端口燒毀、設(shè)備短路等問題，不僅造成設(shè)備損耗，也存在一定的安全隱患，設(shè)備投入和維護費用巨大，還存在故障模擬與數(shù)據(jù)分析困難的問題，實體硬件故障設(shè)置復(fù)雜，實驗數(shù)據(jù)記錄依賴人工，難以開展系統(tǒng)性分析與優(yōu)化。

MCGS（Monitor and Control Generated System） 作為國內(nèi)主流的工業(yè)組態(tài)軟件，具備強大的可視化組態(tài)、實時數(shù)據(jù)采集、動態(tài)仿真及數(shù)據(jù)處理功能[4]，其可視化、仿真和監(jiān)控功能可以有效解決上述3方面問題。本文基于MCGS組態(tài)軟件，探索PLC實驗項目的教學改革路徑，旨在構(gòu)建更貼近工業(yè)實際、更利于學生能力培養(yǎng)的實驗教學體系。

1 基于MCGS的“虛實結(jié)合”PLC實驗教學新模式構(gòu)建

傳統(tǒng)模式PLC實驗教學主要采用實體硬件裝置，僅配備“指示燈+電機”的實驗臺，無法開展“溫度控制”“液位控制”等涉及模擬量或特殊傳感器的實驗。MCGS軟件的加入能克服傳統(tǒng)硬件實驗弊端，形成一種“虛實結(jié)合”的新模式。

新模式構(gòu)建中，硬件采用亞龍YL-360型可編程控制器實訓裝置，在實驗中作為物理驗證和接線訓練的基礎(chǔ)；軟件采用MCGS軟件，它具有快速構(gòu)建和實現(xiàn)上位機監(jiān)控系統(tǒng)的功能，通過與下位機（如PLC） 進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、流程控制、動畫顯示、報警處理等功能[5]。實驗過程中利用MCGS強大的動畫和圖形繪制功能，可以逼真地模擬出各種工業(yè)現(xiàn)場的被控對象，如傳送帶、液位水箱、機械手、智能倉庫等，還能將PLC內(nèi)部抽象的繼電器、寄存器狀態(tài)轉(zhuǎn)化為生動、直觀的動畫效果[6]。

PLC仿真實驗教學系統(tǒng)由計算機、PLC和亞龍YL-360實驗設(shè)備組成，計算機需安裝PLC編程軟件和MCGS組態(tài)軟件，二者通過以太網(wǎng)連接，形成一個下位機（PLC） 執(zhí)行控制、上位機（MCGS） 進行監(jiān)控與交互的、貼近工業(yè)現(xiàn)場的完整系統(tǒng)架構(gòu)，這就是構(gòu)建的“軟件仿真+硬件實操”的混合模式[7]。

2 MCGS在PLC實驗項目中的應(yīng)用實施——以“十字路交通燈系統(tǒng)”為例

十字路口交通燈控制教學項目有如下需求。控制系統(tǒng)實驗設(shè)備采用亞龍YL-360型可編程控制器實訓裝置，實驗設(shè)備使用模塊如圖1所示，交通燈各燈按設(shè)定好的規(guī)律在模擬控制模塊和MCGS觸摸屏上能模擬兩地進行交通燈的自動控制與顯示。系統(tǒng)的控制要求如下：

在模擬控制模塊上設(shè)有啟動和停止開關(guān)S1、S2，用以控制系統(tǒng)的“啟動”與“停止”。在MCGS觸摸屏上設(shè)有啟動、停止按鈕、對應(yīng)的指示燈及東西、南北方向的各個交通指示燈。

交通燈顯示方式：當東西方向紅燈亮時，南北方向綠燈亮；當綠燈亮到設(shè)定時間（如4 s） 時，綠燈閃亮2次，閃亮周期為1 s，然后黃燈亮2 s；當南北方向黃燈熄滅后，東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮；當東西方向綠燈亮到設(shè)定時間（如4 s） 時，綠燈閃亮2次，閃亮周期為1 s，然后黃燈亮2 s；當東西方向黃燈熄滅后，再轉(zhuǎn)回東西方向紅燈亮，南北方向綠燈亮……周而復(fù)始，不斷循環(huán)[8]。

PLC作為下位控制核心，負責接收開關(guān)輸入信號，執(zhí)行控制邏輯，使交通燈按照編寫程序精確顯示亮滅動作。MCGS作為上位機監(jiān)控系統(tǒng)，提供人機交互界面，顯示交通燈實時狀態(tài)，并可下發(fā)控制指令，實現(xiàn)兩地控制[9]。

3 系統(tǒng)設(shè)計方案

通過講授、啟發(fā)引導和討論，使學生掌握十字路口交通燈控制系統(tǒng)的工作原理與控制要求，以及十字路口交通燈控制PLC的I/O口地址分配、PLC的I/O口外部接線圖繪制、PLC梯形圖程序編寫和MCGS組態(tài)工程畫面設(shè)計。

3.1 組態(tài)仿真畫面

通過分析，列出十字路口交通燈控制系統(tǒng)PLC I/O口地址分配表和MCGS實時數(shù)據(jù)庫對應(yīng)的變量表，如表1所示。

在MCGS組態(tài)環(huán)境中新建工程，在“設(shè)備窗口”中添加“通用TCP/IP父設(shè)備”，并在其下添加“Siemens smart200”子設(shè)備，配置PLC的IP地址。首先需查找上位機的本地IP地址，如192.168.2.1，輸入端口號3，設(shè)置PLC的IP地址與本地IP不能沖突，可以設(shè)置為192.168.2.10，端口號3，CPU類型與實際PLC一致（SR30） ，建立與PLC的以太網(wǎng)通信連接[10]。新建用戶窗口，使用“工具箱”插入位圖作為十字路口交通燈控制系統(tǒng)背景，繪制按鈕，用于下發(fā)指令（如啟動、停止） ；添加指示燈，用于顯示交通燈狀態(tài)，設(shè)置基本屬性顯示顏色（如紅、綠、黃三種顏色） ，設(shè)置操作屬性，變量選擇方式選擇根據(jù)采集信息生成，使MCGS實時數(shù)據(jù)庫采集PLC對應(yīng)的I/O口地址，完成系統(tǒng)MCGS組態(tài)工程畫面設(shè)計。

3.2 PLC控制程序

根據(jù)控制要求，用中間繼電器M0.0控制系統(tǒng)啟動和停止，采用定時器循環(huán)控制交通燈的綠燈亮4 s，綠燈閃亮2次，閃亮周期為1 s，然后黃燈亮2 s，紅燈亮8 s。閃爍電路采用特殊功能寄存器SM0.5，0.5 s接通、0.5 s斷開，周期1 s。“

4 實驗驗證與結(jié)果分析

程序與組態(tài)畫面下載并運行后，系統(tǒng)表現(xiàn)出預(yù)期的效果。通過操作硬件啟動開關(guān)（S1） 或點擊MCGS界面的啟動按鈕，均能觸發(fā)控制流程。交通燈狀態(tài)在物理模塊指示燈和MCGS虛擬界面上同步、準確地顯示，驗證了軟硬件之間通信的可靠性和控制邏輯的正確性。綠燈閃爍、黃燈延時等時序控制功能，通過觀察與計時，確認與程序設(shè)定的定時器參數(shù)一致。該調(diào)試過程驗證了“虛實結(jié)合”模式下兩地控制、同步監(jiān)控的可行性。

5 教學改革成效分析

將MCGS引入PLC實驗教學后，有效緩解了學校硬件設(shè)備不足的問題。一套PLC硬件可以配合多臺安裝了MCGS的電腦使用，可以同時進行多個不同項目的仿真調(diào)試，大大提高了設(shè)備利用率和實驗開出率。

綜合提升了學生的學習興趣和學習的主動性，用生動的動畫界面取代了傳統(tǒng)的指示燈，讓學生自己建立操作界面，發(fā)揮學生的創(chuàng)造能力，極大地激發(fā)了學生在實際操作中的學習熱情。學生能清晰地認識到一個置位指令如何控制機械手抓取物體，一個計數(shù)器如何計量傳送帶上的工件數(shù)量，對PLC的掃描周期、信號流等核心概念的理解更加深刻。

理論知識掌握更加牢固，抽象的控制概念通過動畫變得具體易懂，學生經(jīng)歷了一個完整的從需求分析、硬件配置、程序編寫、界面設(shè)計到系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的項目開發(fā)周期。這不僅鍛煉了PLC編程能力，更培養(yǎng)了其系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試和解決復(fù)雜工程問題的綜合能力，創(chuàng)新思維得到了鼓勵和發(fā)展。

實驗成績得到了顯著提升。在同一平行班中，電氣2022-1班開展教學改革，電氣2022-2班按照傳統(tǒng)方法完成實驗，實驗成績由實操×50%和實驗報告×50%組成，電氣2022-1班平均成績85.4，電氣2022-2班平均成績73.6。實驗成績顯著提升。

學生學習能力得到鍛煉的同時掌握了PLC和組態(tài)軟件這兩項工業(yè)現(xiàn)場的核心技能，畢業(yè)時滿足現(xiàn)代企業(yè)對新型自動化人才的技能要求，提升了就業(yè)競爭力。

6 結(jié)束語

將MCGS組態(tài)軟件應(yīng)用于PLC實驗項目（如十字路口交通燈控制） ，有效解決了傳統(tǒng)實驗教學中存在的諸多問題。通過構(gòu)建融合MCGS的PLC仿真實訓教學體系，設(shè)計多層次的實驗項目，實現(xiàn)了控制邏輯的可視化呈現(xiàn)、實驗場景的靈活拓展及學生實踐能力的綜合培養(yǎng)。實踐證明，這種“虛實結(jié)合”的教學模式不僅能夠深化學生對理論知識的理解，更能全方位地培養(yǎng)其工程實踐能力、系統(tǒng)設(shè)計能力和創(chuàng)新能力，是一種行之有效且值得大力推廣的教改方案。但本研究有一定的局限性。研究僅以一個相對基礎(chǔ)的“交通燈”項目為例，該模式在更復(fù)雜的工業(yè)流程控制項目中的有效性有待進一步驗證。另外，成效分析主要依賴問卷，缺乏對學生能力提升的長期縱向跟蹤。

參考文獻：

[1] 楊軼霞.組態(tài)軟件在PLC實訓項目中的應(yīng)用[J].集成電路應(yīng)用，2023，40（2）：78-79.

[2] 王亞芳，吳曉，郭曉麗，等.基于組態(tài)軟件的PLC虛擬對象的應(yīng)用研究[J].科技與創(chuàng)新，2022（10）：147-149.

[3] 吳其，楊田.PLC技術(shù)在工控組態(tài)軟件課程中的應(yīng)用研究[J].河北農(nóng)機，2021（2）：84-85.

[4] 劉長國，黃俊強.MCGS嵌入版組態(tài)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2021.

[5] 杜靜，王娟平.MCGS組態(tài)軟件在PLC項目教學中的應(yīng)用[J].信息記錄材料，2018，19（8）：208-209.

[6] 北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司.MCGS組態(tài)軟件用戶手冊[Z].北京： 北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司，2010.

[7] 廖常初.S7-1200PLC應(yīng)用教程[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2020.

[8] 王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].5版.北京：北京航空航天大學出版社，2019.

[9] 張偉，李靜.基于組態(tài)軟件的PLC仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2021，40（5）：150-153.

[10] 陳愛午.項目教學法在PLC課程中的應(yīng)用研究：以MCGS組態(tài)仿真為例[J].教育教學論壇，2022（18）：105-108.

【通聯(lián)編輯：代影】