孫松麗， 王榮林， 張桂新

(南京理工大學(xué) 泰州科技學(xué)院 機械工程學(xué)院，江蘇 泰州 225300)

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基于MCGS的PLC仿真實訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計

孫松麗， 王榮林， 張桂新

(南京理工大學(xué) 泰州科技學(xué)院 機械工程學(xué)院，江蘇 泰州 225300)

針對PLC應(yīng)用技術(shù)課程特點，為提升PLC課程實踐教學(xué)效果，提出基于組態(tài)軟件MCGS的PLC仿真實訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計并予以實現(xiàn)。仿真系統(tǒng)內(nèi)嵌三個PLC經(jīng)典控制子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)均采用MCGS監(jiān)控系統(tǒng)與西門子200PLC控制相結(jié)合的控制方案，由PLC實現(xiàn)子系統(tǒng)控制功能，由組態(tài)軟件MCGS實現(xiàn)子系統(tǒng)工作過程的動態(tài)實時監(jiān)控。文中給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。

MCGS； 仿真； 實訓(xùn)； PLC； 子系統(tǒng)

0 引 言

PLC應(yīng)用技術(shù)課程是電氣、自動化、機械工程及自動化、機械電子等專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課，它是在繼電器控制基礎(chǔ)上以微處理器為核心，集計算機技術(shù)、電氣控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體的理論與實際相結(jié)合的綜合性學(xué)科[1]。該課程內(nèi)容涉及面廣，知識點多，實用性、工程性及綜合性較強，對實踐教學(xué)環(huán)節(jié)有較高的要求。實踐教學(xué)具體包括實驗教學(xué)、課程設(shè)計、社會實踐、調(diào)研、畢業(yè)實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié)[2],實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的重要環(huán)節(jié)，實驗裝置性能的好壞對學(xué)生能力鍛煉有很大影響[3]。

傳統(tǒng)的PLC應(yīng)用技術(shù)實驗教學(xué)采用的是實驗箱或?qū)嶒炁_，學(xué)生實驗時根據(jù)指示燈的變化判斷控制系統(tǒng)執(zhí)行的正確性，實驗現(xiàn)象單調(diào)；若采用真實系統(tǒng)，則造價高、體積大、難維護，而且由于硬件固定，實驗內(nèi)容的柔性差，創(chuàng)新性和綜合性難于擴展。與此同時，企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備、工藝流程等不斷更新?lián)Q代，要求教學(xué)實驗內(nèi)容及相應(yīng)的實驗設(shè)備也應(yīng)持續(xù)升級，從而對PLC實踐建設(shè)提出更高的要求。

全中文工業(yè)自動化控制組態(tài)軟件MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于Windows平臺,用于快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng),集動畫顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能,廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域[4]。因此，本文提出設(shè)計開發(fā)基于MCGS組態(tài)技術(shù)的PLC仿真實訓(xùn)系統(tǒng)，將MCGS組態(tài)技術(shù)與西門子200PLC控制系統(tǒng)相結(jié)合，以界面友好的動畫仿真PLC控制對象的動作和控制過程，實驗現(xiàn)象生動直觀。

1 仿真實訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)成

PLC控制及監(jiān)控系統(tǒng)的仿真實驗在國內(nèi)外均有研究，其類型也多種多樣，各種方案也為實現(xiàn)不同的目的而實施[5-8]。本仿真系統(tǒng)將機械手控制、自動送料小車控制、多種液體自動混合控制三個子系統(tǒng)作為內(nèi)嵌子系統(tǒng)，以體現(xiàn)PLC控制技術(shù)的經(jīng)典工程應(yīng)用。從而實現(xiàn)將自動化控制現(xiàn)場帶入實驗實訓(xùn)環(huán)節(jié)，增強學(xué)生對PLC技術(shù)在自控領(lǐng)域應(yīng)用的感性認識。

系統(tǒng)由作為上位機的計算機與下位機S7-200PLC共同構(gòu)建而成。上位機內(nèi)有一個主界面作為總控平臺并安裝有MCGS組態(tài)軟件與西門子200PLC編程軟件STEP 7-Micro/WIN。下位機采用西門子CPU224PLC。MCGS軟件通過RS232轉(zhuǎn)RS485接口與下位機PLC之間進行通信，以監(jiān)控PLC的控制過程。由主界面可進入各子系統(tǒng)模塊。內(nèi)嵌的每一子系統(tǒng)軟件系統(tǒng)獨立，硬件采用通用控制柜，控制柜面板上安裝有按鈕、指示燈、各種傳感器等與PLC的I/O端口連接，子系統(tǒng)硬件共享。操作者既可以手動操作面板控制各子系統(tǒng)運行，也可以通過上位機監(jiān)控面板控制子系統(tǒng)運行。系統(tǒng)控制原理圖見圖1。其中，由于步進電機在開環(huán)控制系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，通過PLC控制步進電機也是PLC的重要應(yīng)用技術(shù)之一。因此，自動送料小車子系統(tǒng)設(shè)計為通過步進電機和絲杠組成的傳動系統(tǒng)帶動工作臺上的料車進行物料的運輸，步進電機和驅(qū)動器作為必備硬件配置在通用控制柜內(nèi)。

圖1 仿真實訓(xùn)系統(tǒng)控制原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)I/O點分配

由于子系統(tǒng)硬件共享，因此，PLC各I/O點在不同子系統(tǒng)工作環(huán)境下具有不同的分配。具體見表1。

2.2 系統(tǒng)硬件接線圖

圖2為系統(tǒng)硬件接線圖。其中Q0.0輸出端口由于在送料小車子系統(tǒng)中為高速脈沖輸出口，而在其它兩個子系統(tǒng)中均為開關(guān)量控制，兩者輸出信號性質(zhì)不同，因此，在Q0.0和Q0.1兩個輸出回路中加設(shè)開關(guān)，以保證系統(tǒng)運行的可靠性。

表1 仿真系統(tǒng)I/O分配表

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

仿真系統(tǒng)內(nèi)嵌三個子系統(tǒng)軟件系統(tǒng)獨立，每一子系統(tǒng)軟件系統(tǒng)由PLC控制軟件和MCGS組態(tài)軟件兩部分組成。PLC控制軟件采用S7-200專用編程軟件STEP 7-Micro/WIN完成各控制程序的編寫和調(diào)試，監(jiān)控程序采用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計。此處本文以多種液體自動混合子系統(tǒng)MCGS組態(tài)軟件設(shè)計為例進行介紹，其他子系統(tǒng)設(shè)計步驟類似。

由MCGS生成的用戶監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成見圖3。通過MCGS組態(tài)軟件設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)的流程為：① 打開MCGS組態(tài)環(huán)境，建立工程項目；② 通過用戶窗口設(shè)計人機界面；③ 定義數(shù)據(jù)對象，建立實時數(shù)據(jù)庫；④ 動畫連接；⑤ 設(shè)備連接[9-10]。組態(tài)之前，需首先對子系統(tǒng)控制要求進行分析，明確設(shè)計內(nèi)容。

3.1 控制要求分析

多種液體自動混合子系統(tǒng)工作方式分為單周期與自動循環(huán)兩種方式。A、B、C三種液體分別存放于三個儲液罐中，A、B、C三個電磁閥分別控制A、B、C三種液體流動管道的開啟和關(guān)閉，混合液體放于混合液儲液罐中，罐中混合液滿則放液[11]。

單周期控制要求為：① 檢測混合液罐中是否有液體，有則放空，復(fù)位關(guān)閉放液電磁閥及三個進液管道電磁閥，完成工作初始化；② 按下啟動按鈕，開始進液：A閥開啟，進A液體至液位開關(guān)A動作，A閥關(guān)閉；③ B閥開啟，進B液體至液位開關(guān)B動作，B閥關(guān)閉；④ C閥開啟，進C液體至液位開關(guān)C動作，C閥關(guān)閉；⑤ 攪勻電機開啟，攪勻1 min后停止；⑥ 開啟放液閥放至混合液罐中無液體止，按下停止按鈕停止操作。自動循環(huán)則反復(fù)進行單周期工作。

3.2 MCGS監(jiān)控軟件設(shè)計

結(jié)合子系統(tǒng)控制要求分析，按MCGS軟件設(shè)計流程，經(jīng)步驟②設(shè)計的人機界面見圖4，經(jīng)步驟③建立的實時數(shù)據(jù)庫(實時數(shù)據(jù)庫是工程各個部分數(shù)據(jù)交換與處理的中心[12]，建立過程即數(shù)據(jù)變量定義過程)見圖5。步驟②、③完成后人機界面中的圖形對象為靜止不動，需再經(jīng)步驟④動畫連接將人機界面中的圖形對象與實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象建立相關(guān)性連接，并設(shè)置相應(yīng)的動畫屬性后，方可使人機界面中的動畫動起來。這也是MCGS實現(xiàn)圖形動畫設(shè)計的主要方法[13]。

液體自動混合控制子系統(tǒng)工作過程簡化為：放空→復(fù)位→進A液體→進B液體→進C液體→攪勻共6

圖4 液體自動混合子系統(tǒng)監(jiān)控界面

圖5 MCGS實時數(shù)據(jù)庫

個基本過程并循環(huán)執(zhí)行。為實現(xiàn)控制系統(tǒng)的控制流程，需在“運行策略”中雙擊“循環(huán)策略”，新建6個用戶策略(見圖6)并進行策略組態(tài)(見圖7)。循環(huán)策略中6個用戶策略與4個液位腳本中各有腳本程序控制，腳本程序編寫好再進入MCGS組態(tài)運行環(huán)境便可按控制流程要求呈現(xiàn)相應(yīng)的動畫效果，進A液體用戶策略腳本程序為：

IF 液位<30 AND A液體閥門=1 THEN

液位=液位+2

加液體燈=1

ELSE

A液體閥門=0

加液體燈=0

出液閥=0

ENDIF

圖6 MCGS運行策略組態(tài)

圖7 MCGS循環(huán)策略組態(tài)

MCGS組態(tài)軟件中提出了“與設(shè)備無關(guān)”的概念，即在組態(tài)過程的前4步完成后，可在無外部設(shè)備連接的情況下對組態(tài)結(jié)果采用模擬設(shè)備進行組態(tài)測試和調(diào)試，調(diào)試通過后則可進行外部設(shè)備的硬連接。

4 設(shè)備連接及調(diào)試

為使MCGS系統(tǒng)能從PLC讀取數(shù)據(jù)并控制PLC的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對PLC控制過程的實時監(jiān)控，必須在MCGS設(shè)備窗口中通過設(shè)備構(gòu)件建立MCGS系統(tǒng)與PLC的連接關(guān)系[14-15]。

設(shè)備連接方法如下：① 在設(shè)備窗口中添加西門子S7-200PPI設(shè)備構(gòu)件并設(shè)置其屬性(見圖8)；② 正確添加PLC 存儲器信息, 在PLC子設(shè)備內(nèi)部設(shè)備屬性下拉框中設(shè)置S7-200(PPI)通道屬性及其讀寫屬性(見圖8), 每一設(shè)備通道對應(yīng)PLC的每一輸入端口、輸出端口及相對應(yīng)的內(nèi)部位(見圖9)；③ 在PLC子設(shè)備屬性中, 點擊通道連接標(biāo)簽，將MCGS實時數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)變量與PLC輸入輸出端口及對應(yīng)內(nèi)部位建立一一對應(yīng)關(guān)系(見圖10)。通道連接是設(shè)備組態(tài)的重要內(nèi)容。設(shè)備連接完成后，啟動PLC運行便可通過MCGS監(jiān)控界面實時監(jiān)控PLC系統(tǒng)的動態(tài)運行過程。

5 仿真系統(tǒng)主界面設(shè)計

仿真系統(tǒng)主界面見圖11，采用可視化程序設(shè)計VB語言編寫。點擊主界面窗口中相應(yīng)控制框可直接進入對應(yīng)內(nèi)嵌子系統(tǒng)。啟用子系統(tǒng)流程如下(以機械手搬運為例)：單擊“機械手PLC”→進入西門子S7-200PLC編程環(huán)境→下載PLC控制程序→運行PLC→關(guān)閉PLC編程環(huán)境→單擊“機械手MCGS” →進入MCGS組態(tài)軟件編程環(huán)境→下載MCGS組態(tài)軟件程序→啟動運行MCGS程序→打開監(jiān)控界面。上述流程后，即可通過監(jiān)控窗口實時監(jiān)控PLC控制程序的工作狀態(tài)。

圖8 S7200PPI設(shè)備構(gòu)件屬性及通道屬性設(shè)置

圖9 PLC輸入端口、輸出端口及對應(yīng)內(nèi)部位

圖10 通道連接

圖11 仿真實訓(xùn)系統(tǒng)主界面

6 結(jié) 語

教學(xué)應(yīng)用表明，該仿真實訓(xùn)系統(tǒng)工作可靠，成功實現(xiàn)了動態(tài)仿真監(jiān)控PLC控制系統(tǒng)的工作過程；系統(tǒng)具有開發(fā)擴展性，內(nèi)嵌子系統(tǒng)可自由增配、升級，柔性好；以較少的硬件投入實現(xiàn)了豐富的實訓(xùn)內(nèi)容，可充分滿足實驗環(huán)節(jié)的創(chuàng)新驗證。

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Design of PLC Simulation Training System Based on MCGS

SUNSong-li，WANGRong-lin，ZHANGGui-xin

(School of Mechanical Engineering, Taizhou Institute of Sci. & Tech., NUST, Taizhou 225300, China)

Aiming at the characteristics of PLC application technology course, and improving teaching effect of PLC practice, a PLC simulation training system based on MCGS configuration software is designed and realized. Three classic PLC control subsystems are embedded in the simulation system. Control method of each subsystem is using the MCGS monitoring system and combining with Siemens 200 PLC control scheme. Subsystem control function is realized through PLC and dynamic real-time monitoring of system, working process is realized by configuration software MCGS. This paper gives the hardware design and software design of the system in detail.

MCGS； simulation； training； PLC； subsystem

2014-07-28

江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目(201313842020X)

孫松麗(1975-)，女，山東萊州人，學(xué)士，高級工程師，研究方向：機電一體化。

Tel.：0523-86150096,13852866266;E-mail：sunsongli75@163.com

TP 273

A

1006-7167(2015)01-0087-05