謝曉媛

【摘 要】本文針對可編程控制器（PLC）課程教學中硬件更新慢、學生的動手實踐機會少、教學模式單一等問題，提出構建基于MCGS的PLC實踐教學仿真系統(tǒng)，主要是將MCGS嵌入版組態(tài)軟件和PLC編程軟件相結合，以軟件平臺為基礎進行仿真開發(fā)。該系統(tǒng)的總體內容由PLC的基本邏輯指令實訓、PLC指令步進指令實訓和綜合實訓等三個大項目構成，包括一個主界面和14個子任務系統(tǒng)，并以智能自動運貨小車控制系統(tǒng)的設計為例進行說明。

【關鍵詞】MCGS嵌入版? 可編程控制器（PLC）? 實踐教學仿真? 設計

【中圖分類號】G? 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）12C-0187-04

可編程控制器（PLC）是融合自動控制、通信、計算機等技術的一種現(xiàn)代化自動控制設備。目前，工業(yè)自動化控制領域廣泛應用PLC設備。為了滿足社會工業(yè)領域人才需求，高職院校的電氣自動化、機電一體化、機械自動化等專業(yè)都開設有PLC技術應用方面的課程。高職PLC技術應用是一門綜合與實踐性非常強的課程，學生學習過程中的實踐操作環(huán)節(jié)至關重要，PLC課程理論知識的掌握都要通過實踐進行實際操作，學生才能真正掌握本門課程的核心技術。本文探索基于MCGS的PLC實踐教學仿真系統(tǒng)設計

一、可編程控制器（PLC）課程存在的問題

以前大部分的PLC課程教學以教師為中心，非常重視教師的主導作用，有利于本課程理論知識的系統(tǒng)傳授。以教師為中心的傳統(tǒng)教學模式培養(yǎng)了大批理論知識基礎扎實的學生，但實踐動手操作能力較差，不能適應企業(yè)崗位的需求。以教師為中心的傳統(tǒng)教學模式一直存在以下三個問題：

第一，硬件更新慢。PLC是控制系統(tǒng)的核心技術，發(fā)展速度快，PLC品牌琳瑯滿目，最新產(chǎn)品的PLC價格也比較昂貴。為了節(jié)約實訓設備的成本與資金，學校的教學實訓設備年年重復使用，導致實訓設備與現(xiàn)實生產(chǎn)使用的設備嚴重脫節(jié)。

第二，學生的動手實踐機會少。企業(yè)對自動方面的人才需求增加，報讀自動方面專業(yè)的學生人數(shù)增加，但學校的教學實訓設備增加的速度嚴重滯后于學生人數(shù)增加的速度，導致學生動手操作實踐的機會減少。

第三，教學模式單一。由于實訓設備缺乏，課程的教學大部時間在教室完成，不能體現(xiàn)PLC課程是一門實踐性非常強的課程特點，也不利于學生掌握理論知識。

目前，部分高職院?，F(xiàn)有PLC實訓設備不足以滿足學生實踐課程及實際操作的上課的需求，為了更好地解決學校自動化、機電、機械等專業(yè)開設PLC實踐課難的問題，廣西理工職業(yè)技術學院設計了基于MCGS的PLC實踐教學仿真系統(tǒng)的實踐教學系統(tǒng)。學生上實踐課時可以不依賴硬件設備，通過仿真軟件仿真工業(yè)領域的自動化設備的控制過程。學生通過利用組態(tài)軟件提供的元件，仿真實際工業(yè)控制的工作界面，編寫腳本控制程序控制仿真元件，以仿真的形式來加強學生的實踐動手能力。同時，學生只需要一臺電腦，就可以不受時間、地點、實訓硬件設備的限制開展PLC課程的學習，軟件仿真學習給學生學習的空間與時間留有足夠的發(fā)揮空間，具有良好的擴展性，讓學生的創(chuàng)造性思維和動手能力能有極大的自由發(fā)揮。

二、MCGS組態(tài)軟件

MCGS是北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司開發(fā)的一套基于Windows32位系統(tǒng)的平臺，可用于快速生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。MCGS組態(tài)軟件與外部的硬件結合使用，可以實現(xiàn)工業(yè)自動化設備現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制。MCGS組態(tài)軟件的普通用戶可以簡單、方便、快速的利用簡單的模塊化組態(tài)即可搭建自己的應用系統(tǒng)，可以構造自動控制智能儀表、現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時采集模塊、人機界面等專用設備。MCGS組態(tài)軟件有三個版本，分別是網(wǎng)絡版、通用版、嵌入版?；贛CGS的PLC實踐教學仿真系統(tǒng)的設計，我們應用MCGS目前最新的嵌入版7.7版本來進行開發(fā)。嵌入版是在通用版的基礎上開發(fā)的組態(tài)軟件，它是嵌入式計算機監(jiān)控系統(tǒng)的一款組態(tài)軟件，能夠更好地為用戶提供解決實際自動控制領域工程問題的完整性方案的開發(fā)平臺，能夠更好地完成自動控制設備現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時采集、報警、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線、報表輸出、企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡等功能。

MCGS嵌入版7.7版本由兩個部分組成，分別是組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境。組態(tài)環(huán)境可作為一套完整的設計工具軟件，用戶可以方便地用來設計和構造自己的監(jiān)控應用系統(tǒng)。運行環(huán)境則依據(jù)用戶在組態(tài)環(huán)境中構造的組態(tài)工程并以用戶設計的方案運行，同時進行各種數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)用戶設計的目標和功能。MCGS嵌入版構建的用戶應用系統(tǒng)由五個部分構成，分別是主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略。在一個應用系統(tǒng)中，每一部分既獨立又相互有聯(lián)系，分別執(zhí)行不同的操作，完成不同的功能，具有不同的特性。

三、基于MCGS的PLC實踐教學仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)

（一）仿真系統(tǒng)的內容。PLC實踐教學仿真系統(tǒng)實踐內容的選取上，重點是提升學生的技術能力，學生的動手能力與技術應用能力結合為一體培養(yǎng)，著力培養(yǎng)學生實際動手和解決實際工程問題的能力。同時，也根據(jù)PLC應用技術的課程特點和學生學習的規(guī)律，按照由PLC的基本邏輯指令到步進控制指令、由簡單語句到復雜語句、由基本邏輯指令的實訓內容到綜合實訓的內容等結構順序設計該系統(tǒng)，在MCGS組態(tài)軟件平臺下構建完成。

整個系統(tǒng)的總體內容由三個大項目構成，內容分別為PLC的基本邏輯指令實訓、PLC指令步進指令實訓和綜合實訓等。三個大項目分別是：項目一，包括三相異步電動機單向運轉、三相異步電動機正反轉、三相異步電動機順序控制、三相異步電動機Y-△降壓啟動控制共4個實訓任務;項目二，是PLC指令步進指令實訓內容，包括十字路口交通信號燈控制、倉庫自動門控制、城市霓虹燈控制、大功率加熱棒功率調節(jié)控制、校園照明燈控制、智能密碼鎖控制、5人競賽搶答器控制共7個實訓任務。項目三，綜合實訓有智能自動運貨小車控制、搬運機械手控制、四層電梯控制共3個實訓任務。整個系統(tǒng)一共包含14個具體典型的實訓任務，實訓任務內容由淺入深，循序漸進，強化學生對PLC的基本指令的理解和應用，進一步讓學生掌握PLC程序和MCGS程序編寫的流程、PLC編程軟件和組態(tài)軟件的通信設置。同時，還可以通過仿真測試實訓提高學生對本門課程的興趣。

（二）系統(tǒng)軟件的構成。該仿真系統(tǒng)主要是在計算機上通過軟件來完成仿真，與外界的硬件沒有任何的聯(lián)系。該系統(tǒng)結構如圖1所示，上位機是以MCGS嵌入版7.7版為設計平臺和三菱PLC編程軟件GX Developer，下位機采用三菱PLC編程軟件GX Developer來代替PLC硬件。MCGS具有強大的通信功能，通過RS232接口與PLC之間進行通信，并監(jiān)控PLC內部的所有存儲器、控制器及I/O接口的狀態(tài)，通過變量值的形式傳輸?shù)接嬎銠C上，供上位機使用、處理。

該仿真系統(tǒng)主要包括一個主界面和14個子任務系統(tǒng)，由主界面可以進入各個子任務系統(tǒng)模塊，每一個子任務系統(tǒng)都是按照相同的設計流程來完成的，該系統(tǒng)具體的組態(tài)設計流程如圖2所示。

（三）智能自動運貨小車控制系統(tǒng)的設計實例。具體如下：

1.智能自動運貨小車控制系統(tǒng)的設計要求。智能自動運貨小車運動軌跡示意圖如圖3所示。按下啟動按鈕，小車開始裝貨，即裝貨電磁鐵得電，總倉庫門打開，開始裝貨，裝貨時間為3秒。裝貨完畢，從總倉庫出發(fā)，小車電機正轉向前運行，駛向1號儲貨倉庫，抵達后制動，小車卸貨電磁鐵得電，開始向1號儲貨庫卸料，卸貨時間為3秒，卸貨完畢，返回總倉庫。再一次裝貨，然后又出發(fā)向二號儲貨倉庫運貨，抵達后制動、卸貨，返回總倉庫。再一次裝貨，然后又一次向前運行駛向三號儲貨庫，抵達后制動、卸貨，返回總倉庫。

小車運行軌跡可分為三種：單步執(zhí)行、單循環(huán)執(zhí)行、自動執(zhí)行。單步執(zhí)行方式下每按一次按鈕，小車從總倉庫運貨到一個儲貨庫后返回總倉庫，如小車從總倉庫運貨到二號儲貨庫后返回。單循環(huán)執(zhí)行方式下，則按系統(tǒng)設計要求運行，給每一個儲貨庫運送一次貨后自動返回總倉庫后自動停止。自動執(zhí)行方式下，小車則按照系統(tǒng)的設計要求，一直不停往返運行送貨，直到按下停止按鈕后才停止運行。

2.智能自動運貨小車控制系統(tǒng)用戶窗口的設計。根據(jù)智能自動運貨小車控制系統(tǒng)設計的要求，在MCGS嵌入版7.7版平臺上創(chuàng)建一個用戶窗口，然后再創(chuàng)建圖形控件并設置變量。在組態(tài)軟件的圖庫中，小車、指示燈、按鈕等部是現(xiàn)成的，直接調用即可，限位開關采用開關3控件代替，總倉庫和儲貨庫用矩形圖形來表示。本系統(tǒng)使用三菱FX2N的PLC，該系統(tǒng)的輸入輸出I/O地址分配見表1。

3.實時數(shù)據(jù)庫中建立對象。在MCGS嵌入版7.7版工作平臺的實時數(shù)據(jù)庫窗口頁面中，按“對象屬性”按鈕，出現(xiàn)對象屬性設置對話框后，改變數(shù)據(jù)對象的名稱和類型。運貨小車控制系統(tǒng)定義數(shù)據(jù)對象如圖4所示。

4.動畫屬性并關聯(lián)對象設置。為了使總倉庫放貨和儲貨庫的裝貨過程形象逼真，總倉庫的放貨和儲貨庫的裝貨過程用圖形從上到下的流動狀態(tài)控件來顯示，流動塊動畫屬性設置如圖5所示。當小車的運動方向改變時，小車頭的位置也隨著改變方向，為了讓小車與真實的小車運動軌跡相同，增加了小車可見度功能，加上反向小車的圖標，小車可見度功能設置如圖6所示。運貨小車的前進和后退的動畫效果，是通過小車發(fā)生位移的水平坐標的變化來實現(xiàn)的，當小車停放在總倉庫位置下時的相對水平坐標設置為原點，一號、二號、三號儲貨庫的相對水平坐標依次為250、500、700。小車的水平移動的距離，用車移動值這一變量來表示，車移動值的變化范圍從0～750，相對應的移動像素為0～750。因此，可以根據(jù)車移動值的大小判斷小車當前的狀態(tài)是前進還是后退。小車移動動畫屬性設置如圖6所示。

5.MCGS腳本程序的設計。具體如下：

（1）智能自動運貨小車的工作模式選擇。當選擇單步執(zhí)行工作模式時，按下單步執(zhí)行按鈕，單步設置為1，即M4=1;同理，當選擇單循環(huán)執(zhí)行工作模式時，按下單循環(huán)執(zhí)行按鈕，此時單循環(huán)設置為1，即M6=1;當選擇自動執(zhí)行工作模式時，按下自動運行按鈕，自動設置為1，M5=1。

（2）智能自動運貨小車到達限位開關的判斷。當小車的橫坐標在-5和+5之間的時，原點限位開關被壓下，原點限位=1，即M0=1;原點限位開關被壓下時，原點限位=0，即M0=0。按照相同的方法設置一號儲貨庫、二號儲貨庫、三號儲貨庫的限位開關的參數(shù)，組態(tài)限位開關的腳本程序如下：

IF車移動值>=-5and車移動值<=5THEN

原點=1

ELSE

原點=0

ENDIF

IF車移動值>240and車移動值<260THEN

一號庫限位=1

ELSE

一號庫限位=0

ENDIF

IF車移動值>490and車移動值<510THEN

二號庫限位=1

ELSE

二號庫限位=0

ENDIF

IF車移動值>=745and車移動值<=755THEN

三號庫限位=1

ELSE

三號庫限位=0

ENDIF

（3）小車的前進和后退。當小車的驅動電機正轉，設置Y0=1時，小車向前運動，即小車向儲貨庫方向運行;當小車的驅動電機反轉，設置Y1=1時，小車后退，即從儲貨庫向總倉庫運行。小車前進和后退的腳本程序如下：

IFY0=1THEN

車移動值=車移動值+5

endif

IFY1=1THEN

車移動值=車移動值+5

endif。

（4）PLC程序。在三菱PLC編程軟件GX Developer環(huán)境下，編寫智能自動運貨小車的PLC程序如下：

6.運行調試。在MCGS組態(tài)環(huán)境中，點擊“下載配置”工具，然后在下載配置窗口中點擊“模擬運行”—“工程下載”—“啟動運行”;接著下載PLC程序，啟動PLC。完成以上操作便可通過組態(tài)監(jiān)控屏幕上的相應按鈕，或控制面板上的按鈕實現(xiàn)系統(tǒng)控制，系統(tǒng)工作狀態(tài)便會通過組態(tài)畫面實現(xiàn)仿真，從而達到與實際生產(chǎn)工作控制系統(tǒng)等同的效果。智能自動運貨小車控制系統(tǒng)仿真運行圖如圖7所示。

基于MCGS的PLC實踐教學仿真系統(tǒng)，無須連接PLC硬件設備，即可將實際工業(yè)自動化生產(chǎn)設備的現(xiàn)場控制過程在課堂上清楚完整地展現(xiàn)出來，實現(xiàn)了計算機模擬仿真控制具體設備對象，用軟件代替硬件，大大地降低了教學成本，給學校節(jié)約大量的實訓設備經(jīng)費，學生在計算機仿真實訓室可觀察現(xiàn)場生產(chǎn)設備的控制效果，使學生對PLC課程的理論知識有質的飛躍，極大地加深了學生對核心技術知識的理解，提高了高職學生的動手能力和創(chuàng)造創(chuàng)新思維。

【參考文獻】

[1]北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司[M].MCGS參考手冊，2016

[2]馬國華.監(jiān)控組態(tài)軟件廈其應用[M].北京：清華大學出版社，2004

[3]匡宇國.MCGS組態(tài)軟件技術在PLC教學中的交互應用研究[J].教育探索，2007（12）

[4]崔賢哲.論MCGS技術在PLC實驗教學中的應用[J].教育研究，2008（5）

[5]劉長國，黃俊強.MCGS嵌入版組態(tài)應用技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2017