基于工控组态软件的PLC虚拟实验系统设计与实现

李 宁

（西安航空职业技术学院自动化工程学院，陕西西安，710089）

基于工控组态软件的PLC虚拟实验系统设计与实现

李 宁

（西安航空职业技术学院自动化工程学院，陕西西安，710089）

针对职业院校PLC实验硬件设备不足，实验项目有限，实验教学力度不断增强这种现状，提出了利用MCGS组态软件，设计并开发PLC虚拟实验系统的方法。包括虚拟实验系统的组成、实验项目的设计流程，PLC实验在虚拟实验平台的实现。

MCGS；组态软件；PLC；虚拟实验

0 引言

随着计算机信息技术、网络技术的快速发展，以及工业自动化水平的迅速提高，组态控制、触摸屏与PLC在工业生产应用中已占据了非常重要的地位。尤其是在流程工业控制中，智能仪表、组态控制软件、PLC控制器以及现场总线等更是构成其核心技术。为满足工业自动化领域对此类应用型技术人才的需求，各高职院校更加注重PLC应用技术这一自动化类核心课程的实践教学环节和教学效果。但是，大多数学校购置的实验设备不但数量有限，而且每种设备可实现的功能存在局限性，在强化实践教学的高职院校中，有限的硬件实验资源和无限的实践项目教学情境之间，就出现了亟待解决的矛盾。利用组态控制技术，构建PLC系统虚拟实验平台，不但能解决上述矛盾，还能开发出更多的具有灵活性、创新性和综合性的仿真实践项目，提高学生学习兴趣和教学效果，丰富学生工程经验。

1 组态软件

组态软件，又称组态监控系统软件。它是数据采集与过程控制的专用软件，它具有灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。MCGS（Monitor and Control Generated System，通用监控系统）组态软件是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。MCGS组态软件提供了丰富的图元图符库，功能强大的绘图工具，具有与工业设备通讯的能力，可实现对现场数据的采集处理，并能满足动画显示、报警处理、流程控制、参数设置、数据处理及企业监控网络等功能。画面直观、生动，操作简单、灵活。

2 基于MCGS组态软件的PLC虚拟实验平台的设计

2.1 PLC虚拟实验平台的组成

虚拟实验平台的本质是通过MCGS组态软件构建虚拟硬件被控设备，实现了由计算机及组态软件系统代替现场被控设备的功能，由PLC作为下位机对被控设备进行运行控制。在利用虚拟实验平台进行PLC实验的过程中，用户可通过PC/PPI通信电缆，完成上位机组态软件与PLC的数据通信，采集PLC存储器及I/O端子的数据，并驱动组态运行环境中的模拟设备的运行，实现模拟和监控的功能，同时检验PLC系统控制功能的正确与否。

虚拟实验平台主要由计算机，MCGS组态软件,PC/PPI通信电缆，PLC，STEP7 MicroWIN 编程软件及常用外部输入设备组成。如图1所示。在无法提供按钮、开关、传感器等输入设备的情

况下，也可设计成全虚拟实验平台。

图1 PLC虚拟实验教学平台组成

2.2 PLC虚拟实验平台实验项目的开发与设计

不同的PLC控制系统，控制功能和输入/输出设备是不一样的。PLC虚拟实验平台设计的核心是针对不同的PLC控制系统，利用MCGS组态控制软件，设计制作与之对应的组态监控工程，通过组态监控工程实现对PLC控制系统硬件设备动作状态的虚拟仿真。其设计流程是：根据PLC系统控制要求,开发相应的组态监控动画界面,设置数据对象,选择运行策略,设置硬件驱动设备，并建立数据通道连接等。在此，以运料小车精确定位控制系统为例，概括说明设计过程。

2.2.1 分析控制要求，确定被控对象及控制功能

运料小车精确定位控制系统由储料仓，直线导轨运料小车，步进电机，电磁换向阀、推料气缸等元件组成。被控对象为运料小车，需要通过步进电机驱动运料小车作直线运动，将六种不同颜色芯质的料块送到指定仓库存储。具体操作：按下启动按钮，系统进入启动运行状态，运行指示灯点亮。人工放置料块到小车上，按下该料块的选择按钮，PLC开始向步进电机发送脉冲信号，控制步进电机启动正转运行，运料小车左移，将料块送至指定的仓库入口，电机停止运行。同时，推料气缸的活塞杆伸出，将料块推入料库，延时2秒，活塞杆复位，步进电机重新启动反转运行，运料小车右移，返回原点位置停下来，原点限位开关再次为ON，一次运料过程结束。小车在原点等待下一个入库的料块。

设计组态监控系统前，首先要仔细阅读PLC控制要求,明确系统输入/输出设备，确定控制逻辑与功能，规划组态工程框架，包括初步确定用户窗口，确定组态工程数据对象，确定动画显示方式，确定工程中的PLC数据采集与组态环境中数据库变量的对应关系等。

2.2.2 仿真动画界面设计

借助MCGS丰富的图形库中图符和工具箱中的绘图工具，设计制作动画画面，包括运料小车、小车上的推料气缸、步进电机、仓库、指示灯、按钮、数据显示标签框等，画面中的图形对象即为虚拟仿真硬件设备。虚拟仿真平台画面如图2所示。

图2 用组态软件构建的运料小车精确定位控制系统的虚拟仿真界面

2.2.3 实时数据库的设计

实时数据库是MCGS工程的数据交换和数据处理中心。建立实时数据库的实质就是定义数据对象。通过数据对象值得变化，驱动其所关联的图符产生相应的动画效果，模拟现场实际设备的动作状态，达到仿真目的。运料小车精确定位控制系统建立的数据对象如图3所示。

图3 数据对象

图4 运料小车水平移动属性设置

2.2.4 动画连接设计

通过前期编辑设计的虚拟设备画面是静止的，为了能产生预期的动画效果，必须进行动画连接。动画连接的工作包括图元、图符属性设置，运行策略组态（如循环策略、脚本策略等）。在运料小车精确定位控制系统中，对运料小车做了水平移动属性和可见度设置，推料气缸做了水平移动属性、大小变化属性和可见度属性设置，对活塞杆末端的撞块设置水平移动属性、垂直移动属性和可见度属性，如图4所示。对按钮做了操作属性设置，各标签框做了显示输出属性设置。指示灯做了可见度属性设置等。接下来，选择使用循环策略，设置循环策略执行周期时间为200ms，并在循环策略中添加控制小车水平移动量的脚本程序，例如控制运料小车水平移动到1号仓库入口的脚本程序语句段为：

由脚本语句控制数据对象水平移动量的值的变化，再结合运料小车水平移动属性参数设置，即可实现小车由原点移动到1号仓库入口的动画效果。

除了上述设计细节之外，某些控制系统还要进行报警、数据报表、数据变化趋势曲线等的组态过程，要在主控窗口进行菜单设计等，如基于MCGS组态的PID调节规律虚拟实验，基于MCGS组态的水箱液位控制虚拟实验等。

2.2.5 设备通讯与通道连接设计

MCGS组态软件与PLC的数据通讯是通过在MCGS组态软件的设备窗口中添加PLC硬件设备，进行通信参数设置，并进行通道连接而实现的。

在设备组态窗口中，先添加串口通讯父设备，再选择西门子S7-200PPI 为通讯子设备。然后选择通信协议为PPI通信方式，对添加的通讯设备进行属性设置，属性设置要严格对照PLC编程软件STEP7Micro/WIN 的通信窗口中已设置好的通信参数（包括通信地址、通信速率、通信时间及通信端口等）进行。如图5所示。通道连接是将组态工程中的数据对象与实际的PLC设备的数据之间建立对应关系，这样,当PLC 内部的存储器数据发生变化时，上位机数据库中的数据对象值就随之变化，或当上位机数据库中的数据对象值变化时，PLC 内部的可读写型的存储器数据随之被改写。如图6所示。

图5 运料小车虚拟实验平台设备组态窗口

图6 运料小车虚拟实验平台通道连接

3 PLC实验在虚拟实验平台中的实现

在利用组态软件开发的PLC虚拟实验平台进行PLC实验时，用户只需要参考通道连接进行PLC控制系统的I/O配置，根据控制要求设计好PLC程序，下载到PLC的程序存储器中，再将PLC设置成RUN模式。然后关闭STEP7 MicroWIN编程软件，打开运料小车组态虚拟实验工程，进入设备属性窗口的设备调试页，进行设备通讯连接的调试，若调试窗口中，通道的数据为0,则表示MCGS组态软件与PLC通信连接成功；若通道的数据不为0,则表示通信连接不正常。在通信正常情况下，启动PLC系统运行，组态软件将读取PLC 的数据，来模拟被控对象的动作，以验证PLC程序的逻辑功能是否正确。如有错误，修改PLC程序，重新按照上述步骤进行验证。

值得注意的是，组态虚拟实验工程还可做成完全虚拟的模式，即就PLC的硬件输入设备都没有的情况下，可通过上位机给PLC系统送入启/停信号。此时在进行通道连接中，因为PLC的I寄存器为只读型（只能读PLC输入端子的状态），所以，可将虚拟输入设备的信号送入PLC的M寄存器中，给PLC系统送入启/停命令。但必须要求学生对PLC程序做相应修改，将程序中输入继电器I替换成辅助继电器M；或者给原程序中的输入继电器I常开触点和常闭触点分别并联和串联一个辅助继电器M，要注意与原PLC程序中的已使用过的其他M 区别开来。这样，只需一台PLC,一根PC/PPI电缆，一台装有MCGS组态软件和PLC编程软件的计算机，即可完成PLC实验教学。

4 结束

笔者利用组态软件开发设计出的PLC虚拟实验平台，包含了众多PLC虚拟控制对象，如自动送料装车系统，电机运行控制、交通信号灯控制、物料分拣检测系统控制、分拣系统搬运机械手监控、花式喷泉控制、模拟量变频闭环调速、自动生产线分拣单元监控，自动售货机等等。这些组态项目既有基本指令编程练习，也有较为复杂的逻辑控制，这些虚拟实验项目，画面形象、逼真且生动；使用方便，操作简单、实用性强且具有可扩展性。在统一安装了MCGS应用程序的大型机房，配置上s7-200PLC和PC/PPI电缆即可进行PLC实验教学。此虚拟平台的开发与应用不但解决各院校实训设备资源有限的问题，满足范围日益扩大的“做学教一体化”的教学需求，同时可提高学生学习兴趣和学习效果。实践证明，借助工控组态软件开发设计的PLC虚拟实验平台切实可行，值得推广和借鉴。

[1] 北京昆仑通态自动化软件科技有限公司. MCGS 参考手册[S]. 2006.

[2] 吴作明.工控组态软件与PLC应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[3] 姜海,田春艳.MCGS组态软件在PLC工作状态监控中的应用[J].装备制造技术,2008(2) :56-59.

[4] 屠志恋，罗黎霞.基于MCGS组态软件的虚拟实验教学改革[J].机电技术,2011(6):44-46.

[5] 王兰英.MCGS组态软件在PLC实验教学中的应用[J].物理实验,2012(11):44-46.

The PLC Virtual Simulate Experiment system’s design and implementation based on the configuration softwar

Li Ning
(Automation Engineering College，Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute,Xi'an,710089，China)

There are some problems in higher vocational institutes.Such as the PLC experiment hardware equipment is insufficient, the lack of the experimental project,and the experimental teaching potency dimension increased.To solve the problems,this paper puts forward an approach.Use the MCGS configuration software,to design and develop PLC virtual experiment system.Include the construction of virtual experiment system,the design process of the experimental project，the realization of the PLC experiments in the virtual experiment platform.

MCGS； configuration software； PLC； Virtual Experiment

李宁（1975-），女，安徽阜阳，硕士在读，讲师，研究方向：控制工程，PLC、组态及现场总线