摘要：傳統(tǒng)的PLC實(shí)驗(yàn)設(shè)備體積大、價(jià)格高、臺(tái)套數(shù)受限，針對(duì)此問(wèn)題，提出了基于MCGS組態(tài)軟件的S7-1200 PLC仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。在組態(tài)軟件中創(chuàng)建虛擬的被控對(duì)象，以直觀生動(dòng)的組態(tài)畫(huà)面顯示控制過(guò)程，能夠快速判斷PLC控制程序是否正確。以液壓滑臺(tái)控制為例，闡述了PLC仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠形象直觀地反映被控過(guò)程，能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：MCGS；PLC；仿真；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

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

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

0? ? 引言

隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展和智能制造戰(zhàn)略的實(shí)施，PLC技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，PLC的應(yīng)用能力培養(yǎng)也逐漸受到了自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)的重視，因此PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)在PLC教學(xué)中的地位顯得尤為重要。在PLC的教學(xué)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)采用一些典型控制案例進(jìn)行講解，如機(jī)械手、水塔供水、滑臺(tái)鉆床、灌裝生產(chǎn)線等設(shè)備和過(guò)程的控制。這些被控對(duì)象體積大、價(jià)格昂貴、維修困難，在實(shí)驗(yàn)室搭建實(shí)物對(duì)象困難較大，也無(wú)法保證臺(tái)套數(shù)[1]。傳統(tǒng)PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)是利用開(kāi)關(guān)、按鈕等的接通和關(guān)斷來(lái)手動(dòng)模擬被控對(duì)象工作狀態(tài)的變化，通過(guò)LED的亮滅指示輸出量的變化情況，以此來(lái)完成教學(xué)任務(wù)。但該實(shí)驗(yàn)方法直觀性差，在模擬工作狀態(tài)過(guò)程中容易產(chǎn)生失誤，影響實(shí)驗(yàn)效果，不能滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要[2-3]。為解決上述問(wèn)題，本文利用MCGS設(shè)計(jì)了西門(mén)子S7-1200 PLC的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)組態(tài)軟件模擬被控對(duì)象的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程，PLC控制程序與組態(tài)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制，程序執(zhí)行結(jié)果直接動(dòng)態(tài)顯示在組態(tài)畫(huà)面上，整個(gè)過(guò)程直觀生動(dòng)。

1? ? MCGS簡(jiǎn)介

MCGS（Monitor and Control Generated System）是由北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司開(kāi)發(fā)的基于Windows平臺(tái)，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。本文所設(shè)計(jì)的S7-1200 PLC仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用MCGS嵌入版組態(tài)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。MCGS嵌入版組態(tài)軟件是昆侖通態(tài)公司專門(mén)為其觸摸屏產(chǎn)品MCGS TPC開(kāi)發(fā)的組態(tài)軟件。MCGS嵌入版組態(tài)軟件與MCGS觸摸屏結(jié)合，可以快速方便地開(kāi)發(fā)各種用于現(xiàn)場(chǎng)采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設(shè)備。MCGS嵌入版有兩個(gè)環(huán)境，分別是組態(tài)環(huán)境和模擬運(yùn)行環(huán)境。組態(tài)環(huán)境功能用來(lái)設(shè)計(jì)及構(gòu)造監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)；模擬運(yùn)行環(huán)境的使用解決了用戶組態(tài)時(shí)必須將PC機(jī)和觸摸屏相連的問(wèn)題，用戶在模擬運(yùn)行環(huán)境中就可以查看組態(tài)界面的美觀性、功能的實(shí)現(xiàn)情況以及性能的合理性。

2? ? 基于MCGS的S7-1200 PLC仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

該仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，PC機(jī)、S7-1200 PLC和MCGS觸摸屏通過(guò)以太網(wǎng)線經(jīng)交換機(jī)相連接。PC機(jī)上安裝有MCGS嵌入版組態(tài)軟件和西門(mén)子博途軟件，主要負(fù)責(zé)PLC程序的編寫(xiě)和組態(tài)畫(huà)面的設(shè)計(jì)，編寫(xiě)好的PLC程序和組態(tài)畫(huà)面可以通過(guò)以太網(wǎng)分別下載到PLC和觸摸屏中。S7-1200 PLC的IP地址設(shè)置為192.168.0.1；MCGS觸摸屏選用具有以太網(wǎng)口的TPC 7602Ti，其IP地址為192.168.0.100。觸摸屏和PLC在同一網(wǎng)段，實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)兩者可進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過(guò)PLC程序控制仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行結(jié)果實(shí)時(shí)直觀地在觸摸屏上顯示。

3? ? 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)例

本文以液壓滑臺(tái)控制實(shí)驗(yàn)為例，闡述仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)過(guò)程。

3.1? ? 液壓滑臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

當(dāng)液壓滑臺(tái)在原點(diǎn)位置SQ1時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕SB1后按如下順序工作：滑臺(tái)快進(jìn)→至SQ2后滑臺(tái)工進(jìn)→到達(dá)SQ3滑臺(tái)停留2 s→2 s后滑臺(tái)快退→返回至SQ1停止。若滑臺(tái)不在原點(diǎn)位置，則按下快退按鈕SB2可使滑臺(tái)返回原點(diǎn)位置。液壓滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)3個(gè)電磁閥的接通和關(guān)斷來(lái)控制的，僅YV1接通時(shí)，滑臺(tái)快進(jìn)；YV1和YV2同時(shí)接通時(shí)，滑臺(tái)工進(jìn)；僅YV3接通時(shí)，滑臺(tái)快退。按下停止按鈕SB3可以使3個(gè)電磁閥全部關(guān)斷，滑臺(tái)停止。

3.2? ? 設(shè)計(jì)組態(tài)畫(huà)面

在MCGS組態(tài)軟件上建立一個(gè)新的工程項(xiàng)目，在設(shè)備管理中為項(xiàng)目添加所使用的西門(mén)子S7-1200 PLC，在設(shè)備編輯窗口中設(shè)置本地IP地址為192.168.0.100，設(shè)置遠(yuǎn)端IP地址為192.168.0.1。設(shè)備添加好后為項(xiàng)目創(chuàng)建用戶窗口，本項(xiàng)目一共需要兩個(gè)用戶窗口：主窗口和報(bào)警窗口。主窗口負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，報(bào)警窗口用來(lái)顯示報(bào)警信息。下面主要介紹主窗口的畫(huà)面組態(tài)，依據(jù)液壓滑臺(tái)控制要求設(shè)計(jì)的主窗口組態(tài)畫(huà)面如圖2所示。

圖2中，采用矩形塊作為液壓滑臺(tái)，利用水管圖案作為滑臺(tái)軌道；3個(gè)行程開(kāi)關(guān)使用指示燈控件實(shí)現(xiàn)，紅色表示滑臺(tái)不在該位置，綠色表示滑臺(tái)正處于該位置；3個(gè)電磁閥同樣采用指示燈進(jìn)行監(jiān)控，綠色表示電磁閥接通，紅色表示電磁閥關(guān)斷。畫(huà)面中還按照實(shí)驗(yàn)要求添加了3個(gè)按鈕：?jiǎn)?dòng)、停止、快退。除此之外，還專門(mén)設(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)復(fù)位按鈕，利用該按鈕可以將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)快速還原為初始狀態(tài)。

3.3? ? 建立變量和關(guān)聯(lián)通道

為了使畫(huà)面構(gòu)件能夠和PLC完成數(shù)據(jù)交互，需要在MCGS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中建立相關(guān)的變量[4]。一方面，這些變量與PLC的相關(guān)通道進(jìn)行連接，PLC通道建立以及與MCGS變量的連接在設(shè)備編輯窗口中完成；另一方面，MCGS變量還可以通過(guò)組態(tài)設(shè)置和腳本程序編寫(xiě)同窗口的畫(huà)面構(gòu)件相關(guān)聯(lián)。液壓滑臺(tái)控制仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的變量表如表1所示，其中，Pos變量用于控制滑臺(tái)矩形塊水平移動(dòng)，和滑臺(tái)矩形塊的水平移動(dòng)屬性相關(guān)聯(lián)，Pos的范圍設(shè)置在-20～600；AMsg變量為報(bào)警信息文本，在報(bào)警窗口中使用。

3.4? ? 滑臺(tái)動(dòng)畫(huà)和行程開(kāi)關(guān)信息刷新

當(dāng)PLC控制程序驅(qū)動(dòng)3個(gè)電磁閥時(shí)，在仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的滑臺(tái)矩形塊應(yīng)根據(jù)電磁閥的狀態(tài)進(jìn)行快進(jìn)、工進(jìn)、快退等動(dòng)畫(huà)演示，同時(shí)根據(jù)滑臺(tái)矩形塊的位置變量Pos的大小決定3個(gè)行程開(kāi)關(guān)SQ1、SQ2、SQ3的狀態(tài)，行程開(kāi)關(guān)通過(guò)數(shù)據(jù)交互傳遞給PLC控制程序，從而起到仿真被控對(duì)象實(shí)際動(dòng)作過(guò)程的目的。要實(shí)現(xiàn)這一目的，腳本程序的編寫(xiě)是必不可少的[5]。腳本程序在MCGS的循環(huán)策略中編寫(xiě)，循環(huán)時(shí)間設(shè)置為100 ms。循環(huán)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(tái)位置已超左限??！"

IF Pos >= 550 THEN AMsg = "滑臺(tái)位置已超右限??！"

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

腳本程序一開(kāi)始通過(guò)IF語(yǔ)句判斷電磁閥的狀態(tài)，滿足快進(jìn)條件時(shí)，滑臺(tái)矩形塊的位置增加4，即每100 ms移動(dòng)4個(gè)像素，從而形成滑臺(tái)快速向右移動(dòng)的動(dòng)畫(huà)效果；滿足工進(jìn)狀態(tài)時(shí)，滑臺(tái)矩形塊的位置增加2，即每100 ms移動(dòng)2個(gè)像素，從而形成滑臺(tái)慢速向右移動(dòng)的動(dòng)畫(huà)效果；快退的實(shí)現(xiàn)過(guò)程類似。接下來(lái)的程序是通過(guò)滑臺(tái)位置Pos來(lái)刷新行程開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，當(dāng)Pos值在-5～5時(shí)，SQ1變量為1，表示滑臺(tái)到達(dá)原點(diǎn)，否則為0；其他行程開(kāi)關(guān)的判斷方法類似。如果PLC控制程序沒(méi)有編寫(xiě)正確，導(dǎo)致滑臺(tái)一直向右運(yùn)行，當(dāng)Pos值超出550時(shí)，認(rèn)為滑臺(tái)到達(dá)右限位，此時(shí)彈出報(bào)警窗口并顯示“滑臺(tái)位置已超右限??！”的報(bào)警信息；超出左限的處理過(guò)程類似。

3.5? ? 系統(tǒng)復(fù)位功能

在使用液壓滑臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，會(huì)遇到因程序編寫(xiě)的原因造成系統(tǒng)并未按照預(yù)計(jì)方式動(dòng)作或在運(yùn)行過(guò)程中按下了停止鍵的情況，這時(shí)整個(gè)系統(tǒng)會(huì)隨機(jī)停止在某個(gè)工作狀態(tài)，此時(shí)只要按下系統(tǒng)復(fù)位按鈕，就可以使系統(tǒng)瞬時(shí)回到初始狀態(tài)，方便進(jìn)行下一次調(diào)試。系統(tǒng)的復(fù)位功能是通過(guò)對(duì)畫(huà)面中復(fù)位按鈕編寫(xiě)腳本程序?qū)崿F(xiàn)的。復(fù)位按鈕的按下腳本程序如下：

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

按下復(fù)位按鈕后，3個(gè)電磁閥的值均復(fù)位為0，同時(shí)Pos變量被賦值為0，滑臺(tái)矩形塊回到原點(diǎn)，在下一個(gè)循環(huán)策略執(zhí)行過(guò)后，3個(gè)行程開(kāi)關(guān)值分別為SQ1=1、SQ2=0、SQ3=0，系統(tǒng)回到初始狀態(tài)。

3.6? ? 仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)試

打開(kāi)MCGS軟件，點(diǎn)擊“工具”→“下載配置”，將組態(tài)好的項(xiàng)目文件下載到觸摸屏后啟動(dòng)運(yùn)行，此時(shí)的觸摸屏畫(huà)面就相當(dāng)于一個(gè)虛擬的液壓滑臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在西門(mén)子的博途軟件中進(jìn)行PLC控制程序的編寫(xiě)，注意PLC程序中的變量應(yīng)與預(yù)先約定的通道一致，即按照表1來(lái)定義PLC的變量，將編寫(xiě)好的PLC控制程序下載到S7-1200 PLC中。點(diǎn)擊觸摸屏上的啟動(dòng)按鈕，就能觀察到液壓滑臺(tái)能夠按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行運(yùn)行，3個(gè)電磁閥和3個(gè)行程開(kāi)關(guān)也均能實(shí)時(shí)更新通斷狀態(tài)，如果所編寫(xiě)的程序不能正確運(yùn)行，可以很直觀地從運(yùn)行過(guò)程中找出程序存在的問(wèn)題，及時(shí)進(jìn)行修改。

4? ? 結(jié)論

基于MCGS的S7-1200 PLC仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)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(xiě)是否正確。仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)解決了PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)備缺乏、可操作性差、臺(tái)套數(shù)受限等問(wèn)題，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升教師教學(xué)質(zhì)量。

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收稿日期：2023-02-22

作者簡(jiǎn)介：李國(guó)柱（1976—），男，山西長(zhǎng)治人，碩士，副教授，研究方向：電氣控制。