卞秀輝

摘 要： 將MCGS組態(tài)技術(shù)應(yīng)用到PLC實訓(xùn)項目教學中， 設(shè)計開發(fā)了模擬仿真PLC實訓(xùn)設(shè)備。利用模擬仿真對象代替實物被控模型，有效的節(jié)省了教學成本，減輕了實驗室管理人員設(shè)備維護負擔。該系統(tǒng)畫面類似于卡通動畫形式，趣味性強，能有效提升學生的學習熱情。

關(guān)鍵詞： PLC； MCGS組態(tài)； 模擬仿真

中圖分類號： TP 13 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2017）04-0090-04

0 引 言

可編程控制技術(shù)是我院機器人、機電一體化以及相關(guān)專業(yè)的核心課程，相比較傳統(tǒng)的理論講解式的教學模式，實踐環(huán)節(jié)學生更容易接受和理解，做好PLC實踐教學將達到事半功倍的效果。PLC普遍應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場涉及大量實際工業(yè)項目，如果這些項目都采用實物設(shè)備，那么將是一筆很大的開銷，在設(shè)備維護過程中也將耗費大量的人力物力。本文利用MCGS為開發(fā)平臺，設(shè)計開發(fā)了PLC模擬仿真實訓(xùn)控制系統(tǒng)，采用MCGS觸摸屏作為項目畫面運行的載體，根據(jù)PLC項目控制要求訓(xùn)練學生的編程調(diào)試能力。將組態(tài)軟件應(yīng)用到PLC 的教學中，不僅大大降低了教學成本，同時也豐富了實踐教學內(nèi)容。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)由一臺計算機、一個三菱PLC以及一個觸摸屏構(gòu)成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，PC機主要用于PLC程序的編寫調(diào)試和下載以及實訓(xùn)控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)維護[1]；PLC通過 RS485端口與計算機通信，而計算機一側(cè)端口為RS232電平， RS232/RS485電平轉(zhuǎn)換模塊的作用是實現(xiàn)PLC設(shè)備和計算機之間的電平轉(zhuǎn)換；觸摸屏作為輸入輸出設(shè)備用于顯示控制對象的模擬仿真畫面，計算機與觸摸屏之間采用USB通信方式，學生編寫PLC程序并下載到PLC中便可以在觸摸屏上看到被控對象的變化。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

MCGS組態(tài)軟件是一款用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、上位機監(jiān)測與控制的應(yīng)用軟件，軟件界面操作簡單，繪圖資源豐富，可驅(qū)動的常用設(shè)備包括PLC、變頻器、數(shù)據(jù)采集卡、智能儀器等。軟件版本包括網(wǎng)絡(luò)版、通用版和嵌入版，這里采用觸摸屏作為運行載體，因此采用嵌入版進行開發(fā)設(shè)計。利用MCGS組態(tài)軟件開發(fā)的PLC模擬仿真控制系統(tǒng)主畫面示意圖如圖2所示。

圖2中，通過系統(tǒng)主畫面可以完成12個實訓(xùn)項目的PLC編程調(diào)試練習，主要包括電機正反轉(zhuǎn)、能耗制動、異地啟停以及交通燈、車庫門、物料自動成型加工、液體混合、三層電梯控制等，并且在此基礎(chǔ)上可以繼續(xù)進行項目擴展，豐富項目內(nèi)容。

MCGS組態(tài)應(yīng)用程序的開發(fā)需要開展的工作包括界面設(shè)計、變量定義、動畫屬性設(shè)置以及腳本程序編寫等，如需連接實際的外部設(shè)備則需要添加并建立與外部設(shè)備的連接。本文以機械手搬運物塊項目為例對上位機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計方法進行詳細介紹。

2.1 系統(tǒng)控制要求以及界面開發(fā)

采用MCGS組態(tài)軟件的繪圖工具繪制的機械手監(jiān)測控制畫面如圖3所示。圖3中，首先需要明確系統(tǒng)控制要求，機械手控制系統(tǒng)初始位置為左限位和上限位行程開關(guān)同時壓下的狀態(tài)；啟動按鈕按下，機械手下降，到達下限位A工作臺時機械手夾緊物塊，2 s后機械手帶動物塊上升，到達上限位機械手自動向右運行，碰觸到右限位行程開關(guān)機械手開始下降，下降到下限位，機械手松開物塊將物塊放置于B工作臺，2 s后機械手繼續(xù)上升、左行回到原點[2]。

機械手控制系統(tǒng)既可以自動運行也可以手動控制，按下啟動按鈕機械手自動完成將物塊由A工作臺搬運到B工作臺的過程并自動恢復(fù)到初始狀態(tài)；在畫面中上行、下行、左行、右行、夾緊按鈕可以手動控制機械手狀態(tài)并設(shè)置了相關(guān)的指示燈進行狀態(tài)顯示，當機械手到達限位點時對應(yīng)的限位點指示燈點亮；該項目有4個畫面分別是系統(tǒng)控制要求畫面、輸入輸出地址畫面、輸入輸出接線圖畫面以及機械手監(jiān)測控制畫面，可以通過點擊圖3中下方的小窗口進行畫面任意切換也可以退出機械手項目。

2.2 創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫并建立變量連接

MCGS組態(tài)軟件創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫即定義變量，一種為內(nèi)存變量另一種為IO變量，內(nèi)存變量不需要與外部設(shè)備進行通信，而IO變量需要在MCGS組態(tài)中通過設(shè)備窗口添加“三菱PLC通用編程口設(shè)備”并將PLC內(nèi)部寄存器與組態(tài)變量建立連接[3]，組態(tài)應(yīng)用軟件與PLC程序同時運行并進行實時通信，組態(tài)程序根據(jù)PLC中寄存器狀態(tài)控制畫面動作。機械手項目定義變量如表1所示。

根據(jù)機械手項目系統(tǒng)控制要求，系統(tǒng)需要6個輸入變量包括“啟動”、“停止”、“上限位”、“下限位”、“左限位”和“右限位”，5個輸出變量為“上行”、“下行”、“左行”、“右行”、“夾緊”，這些IO變量分別與三菱FX2N系列PLC寄存器相關(guān)聯(lián)?！皺C械手上升下降距離”和“機械手左右移動距離”為內(nèi)存變量，其中“機械手上升下降距離”用于機械手以及物塊的上升下降動畫制作，“機械手左右移動距離”用于機械手以及物塊的左行右行動畫制作。

實際工程中的機械手系統(tǒng)輸入設(shè)備連接到PLC的輸入X，本系統(tǒng)中PLC控制對象采用組態(tài)軟件模擬仿真實現(xiàn)，組態(tài)軟件無法直接控制PLC的輸入X，因此在進行PLC程序編寫和調(diào)試的過程中行程開關(guān)和啟動、停止按鈕的輸入都采用中間變量M代替[4]。

2.3 動畫設(shè)計

動畫屬性設(shè)置是組態(tài)控制技術(shù)的核心部分，機械手項目中采用了水平移動、垂直移動、大小變化和可見度動畫連接。物料塊與機械抓手的升降和左右運動分別采用了垂直移動和水平移動動畫連接；機械手的伸出和縮回即機械手的上升和下降運動采用了矩形圖素的大小變化動畫連接[5]；機械抓手的松開和夾緊則通過繪制兩個抓手，一個是松開狀態(tài)一個是夾緊狀態(tài)，采用可見度動畫連接同一時刻只能滿足表達式條件的一個抓手可見。在組態(tài)動畫連接設(shè)置中針對一個圖素可以同時實現(xiàn)水平移動、垂直移動、大小變化以及可見度等多個動畫屬性設(shè)置[6]。機械抓手松開圖素的動畫組態(tài)屬性設(shè)置如圖4所示。

2.4 腳本

腳本程序在組態(tài)控制系統(tǒng)中起著重要作用，畫面屬性窗口中腳本程序包括啟動腳本、循環(huán)腳本和退出腳本。啟動腳本中編寫系統(tǒng)變量初始化代碼，循環(huán)腳本中的代碼每間隔一定時間執(zhí)行一次，間隔時間可以設(shè)定，代碼可以對變量進行計算以及與PLC進行數(shù)據(jù)交換[7]。機械手監(jiān)測控制畫面啟動腳本編寫如下：

左限位=1

上限位=1

循環(huán)腳本中包括機械手上升下降部分以及機械手左右運動部分，其中機械手上升下降控制腳本如下：

IF 上升=1 THEN

機械手上升下降距離=機械手上升下降距離-1 //用于完成機械手上升動畫

ENDIF

IF 下降=1 THEN

機械手上升下降距離=機械手上升下降距離+1 //用于完成機械手下降動畫

ENDIF

IF 機械手上升下降距離<=0 THEN //軟件判斷是否到達上限位

上限位=1

ELSE

上限位=0

ENDIF

IF 機械手上升下降距離>=50 THEN //軟件判斷是否到達下限位

下限位=1

ELSE

下限位=0

ENDIF

機械手左右運動控制腳本程序與機械手上升下降程序結(jié)構(gòu)相同，首先檢測“右行”變量如果為1，則“機械手左右移動距離”變量加1，如果“左行”變量為1， “機械手左右移動距離”變量減1；當“機械手左右移動距離”變量值大于等于50時，表明機械手運行到最右端，達到右限位點；當“機械手左右移動距離”變量值小于等于0時，證明機械手運行到最左端，達到左限位點。

該項目中PLC外部沒有連接實際的繼電器、行程開關(guān)以及按鈕等硬件設(shè)備，在循環(huán)腳本中利用機械手上升、下降、左行、右行的距離來判斷機械手是否運動到限位點，再將限位點的狀態(tài)傳遞給PLC從而控制PLC程序運行。

3 PLC教學中的應(yīng)用

將開發(fā)好的組態(tài)程序下載到觸摸屏中，進入系統(tǒng)主畫面，學生根據(jù)課堂教學項目點擊進入相應(yīng)的項目畫面中，在每個項目畫面中學生可以了解項目控制要求，項目中用到的PLC的輸入輸出對應(yīng)地址，以及輸入輸出接線圖，根據(jù)接線圖學生對PLC外圍硬件電路有一定的掌握，之后教師布置項目任務(wù)一般由簡單到復(fù)雜，學生利用三菱PLC編程軟件編寫調(diào)試PLC程序并將程序下載到PLC模塊中，運行PLC程序并觀察觸摸屏上項目畫面動作變化是否能達到項目任務(wù)控制要求，如果不能滿足則需要繼續(xù)改進PLC程序。

4 結(jié)束語

采用MCGS組態(tài)軟件制作模擬PLC控制對象，整個系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，取代了大量的控制對象實物，很大程度上節(jié)約了教學成本；該系統(tǒng)具有很好的擴展性，首先針對于某一個項目教師在教學過程中可設(shè)置多個難易程度不同的任務(wù)，模擬控制畫面同樣可以按照運行設(shè)計的PLC程序執(zhí)行動作；其次在以后的教學中擴充實驗項目只需添加相應(yīng)的系統(tǒng)控制程序就可以實現(xiàn)。該系統(tǒng)動畫效果精美形象，更能提高學生興趣，進一步改善教學效果，同時該系統(tǒng)也可以應(yīng)用于其他課程的項目教學開發(fā)中，具有很好的推廣性。

參考文獻：

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[3] 邢滿榮，張鵬. 基于PLC和MCGS組態(tài)的機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 制造業(yè)自動化，2015（7）：11-13

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