基于MCGS的PLC仿真实训系统设计

孙松丽， 王荣林， 张桂新

(南京理工大学 泰州科技学院 机械工程学院，江苏 泰州 225300)



基于MCGS的PLC仿真实训系统设计

孙松丽， 王荣林， 张桂新

(南京理工大学 泰州科技学院 机械工程学院，江苏 泰州 225300)

针对PLC应用技术课程特点，为提升PLC课程实践教学效果，提出基于组态软件MCGS的PLC仿真实训系统设计并予以实现。仿真系统内嵌三个PLC经典控制子系统。各子系统均采用MCGS监控系统与西门子200PLC控制相结合的控制方案，由PLC实现子系统控制功能，由组态软件MCGS实现子系统工作过程的动态实时监控。文中给出了系统的硬件设计和软件设计。

MCGS； 仿真； 实训； PLC； 子系统

0 引 言

PLC应用技术课程是电气、自动化、机械工程及自动化、机械电子等专业的技术基础课，它是在继电器控制基础上以微处理器为核心，集计算机技术、电气控制技术和网络通信技术于一体的理论与实际相结合的综合性学科[1]。该课程内容涉及面广，知识点多，实用性、工程性及综合性较强，对实践教学环节有较高的要求。实践教学具体包括实验教学、课程设计、社会实践、调研、毕业实习、毕业设计等环节[2],实验教学是培养学生实践能力的重要环节，实验装置性能的好坏对学生能力锻炼有很大影响[3]。

传统的PLC应用技术实验教学采用的是实验箱或实验台，学生实验时根据指示灯的变化判断控制系统执行的正确性，实验现象单调；若采用真实系统，则造价高、体积大、难维护，而且由于硬件固定，实验内容的柔性差，创新性和综合性难于扩展。与此同时，企业生产设备、工艺流程等不断更新换代，要求教学实验内容及相应的实验设备也应持续升级，从而对PLC实践建设提出更高的要求。

全中文工业自动化控制组态软件MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于Windows平台,用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统,集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制、企业监控网络等功能,广泛应用于工程领域[4]。因此，本文提出设计开发基于MCGS组态技术的PLC仿真实训系统，将MCGS组态技术与西门子200PLC控制系统相结合，以界面友好的动画仿真PLC控制对象的动作和控制过程，实验现象生动直观。

1 仿真实训系统构成

PLC控制及监控系统的仿真实验在国内外均有研究，其类型也多种多样，各种方案也为实现不同的目的而实施[5-8]。本仿真系统将机械手控制、自动送料小车控制、多种液体自动混合控制三个子系统作为内嵌子系统，以体现PLC控制技术的经典工程应用。从而实现将自动化控制现场带入实验实训环节，增强学生对PLC技术在自控领域应用的感性认识。

系统由作为上位机的计算机与下位机S7-200PLC共同构建而成。上位机内有一个主界面作为总控平台并安装有MCGS组态软件与西门子200PLC编程软件STEP 7-Micro/WIN。下位机采用西门子CPU224PLC。MCGS软件通过RS232转RS485接口与下位机PLC之间进行通信，以监控PLC的控制过程。由主界面可进入各子系统模块。内嵌的每一子系统软件系统独立，硬件采用通用控制柜，控制柜面板上安装有按钮、指示灯、各种传感器等与PLC的I/O端口连接，子系统硬件共享。操作者既可以手动操作面板控制各子系统运行，也可以通过上位机监控面板控制子系统运行。系统控制原理图见图1。其中，由于步进电机在开环控制系统中的广泛应用，通过PLC控制步进电机也是PLC的重要应用技术之一。因此，自动送料小车子系统设计为通过步进电机和丝杠组成的传动系统带动工作台上的料车进行物料的运输，步进电机和驱动器作为必备硬件配置在通用控制柜内。

图1 仿真实训系统控制原理图

2 系统硬件设计

2.1 系统I/O点分配

由于子系统硬件共享，因此，PLC各I/O点在不同子系统工作环境下具有不同的分配。具体见表1。

2.2 系统硬件接线图

图2为系统硬件接线图。其中Q0.0输出端口由于在送料小车子系统中为高速脉冲输出口，而在其它两个子系统中均为开关量控制，两者输出信号性质不同，因此，在Q0.0和Q0.1两个输出回路中加设开关，以保证系统运行的可靠性。

表1 仿真系统I/O分配表

3 系统软件设计

仿真系统内嵌三个子系统软件系统独立，每一子系统软件系统由PLC控制软件和MCGS组态软件两部分组成。PLC控制软件采用S7-200专用编程软件STEP 7-Micro/WIN完成各控制程序的编写和调试，监控程序采用MCGS组态软件设计。此处本文以多种液体自动混合子系统MCGS组态软件设计为例进行介绍，其他子系统设计步骤类似。

由MCGS生成的用户监控系统结构构成见图3。通过MCGS组态软件设计监控系统的流程为：① 打开MCGS组态环境，建立工程项目；② 通过用户窗口设计人机界面；③ 定义数据对象，建立实时数据库；④ 动画连接；⑤ 设备连接[9-10]。组态之前，需首先对子系统控制要求进行分析，明确设计内容。

3.1 控制要求分析

多种液体自动混合子系统工作方式分为单周期与自动循环两种方式。A、B、C三种液体分别存放于三个储液罐中，A、B、C三个电磁阀分别控制A、B、C三种液体流动管道的开启和关闭，混合液体放于混合液储液罐中，罐中混合液满则放液[11]。

单周期控制要求为：① 检测混合液罐中是否有液体，有则放空，复位关闭放液电磁阀及三个进液管道电磁阀，完成工作初始化；② 按下启动按钮，开始进液：A阀开启，进A液体至液位开关A动作，A阀关闭；③ B阀开启，进B液体至液位开关B动作，B阀关闭；④ C阀开启，进C液体至液位开关C动作，C阀关闭；⑤ 搅匀电机开启，搅匀1 min后停止；⑥ 开启放液阀放至混合液罐中无液体止，按下停止按钮停止操作。自动循环则反复进行单周期工作。

3.2 MCGS监控软件设计

结合子系统控制要求分析，按MCGS软件设计流程，经步骤②设计的人机界面见图4，经步骤③建立的实时数据库(实时数据库是工程各个部分数据交换与处理的中心[12]，建立过程即数据变量定义过程)见图5。步骤②、③完成后人机界面中的图形对象为静止不动，需再经步骤④动画连接将人机界面中的图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接，并设置相应的动画属性后，方可使人机界面中的动画动起来。这也是MCGS实现图形动画设计的主要方法[13]。

液体自动混合控制子系统工作过程简化为：放空→复位→进A液体→进B液体→进C液体→搅匀共6

图4 液体自动混合子系统监控界面

图5 MCGS实时数据库

个基本过程并循环执行。为实现控制系统的控制流程，需在“运行策略”中双击“循环策略”，新建6个用户策略(见图6)并进行策略组态(见图7)。循环策略中6个用户策略与4个液位脚本中各有脚本程序控制，脚本程序编写好再进入MCGS组态运行环境便可按控制流程要求呈现相应的动画效果，进A液体用户策略脚本程序为：

IF 液位<30 AND A液体阀门=1 THEN

液位=液位+2

加液体灯=1

ELSE

A液体阀门=0

加液体灯=0

出液阀=0

ENDIF

图6 MCGS运行策略组态

图7 MCGS循环策略组态

MCGS组态软件中提出了“与设备无关”的概念，即在组态过程的前4步完成后，可在无外部设备连接的情况下对组态结果采用模拟设备进行组态测试和调试，调试通过后则可进行外部设备的硬连接。

4 设备连接及调试

为使MCGS系统能从PLC读取数据并控制PLC的工作状态，实现对PLC控制过程的实时监控，必须在MCGS设备窗口中通过设备构件建立MCGS系统与PLC的连接关系[14-15]。

设备连接方法如下：① 在设备窗口中添加西门子S7-200PPI设备构件并设置其属性(见图8)；② 正确添加PLC 存储器信息, 在PLC子设备内部设备属性下拉框中设置S7-200(PPI)通道属性及其读写属性(见图8), 每一设备通道对应PLC的每一输入端口、输出端口及相对应的内部位(见图9)；③ 在PLC子设备属性中, 点击通道连接标签，将MCGS实时数据库中数据变量与PLC输入输出端口及对应内部位建立一一对应关系(见图10)。通道连接是设备组态的重要内容。设备连接完成后，启动PLC运行便可通过MCGS监控界面实时监控PLC系统的动态运行过程。

5 仿真系统主界面设计

仿真系统主界面见图11，采用可视化程序设计VB语言编写。点击主界面窗口中相应控制框可直接进入对应内嵌子系统。启用子系统流程如下(以机械手搬运为例)：单击“机械手PLC”→进入西门子S7-200PLC编程环境→下载PLC控制程序→运行PLC→关闭PLC编程环境→单击“机械手MCGS” →进入MCGS组态软件编程环境→下载MCGS组态软件程序→启动运行MCGS程序→打开监控界面。上述流程后，即可通过监控窗口实时监控PLC控制程序的工作状态。

图8 S7200PPI设备构件属性及通道属性设置

图9 PLC输入端口、输出端口及对应内部位

图10 通道连接

图11 仿真实训系统主界面

6 结 语

教学应用表明，该仿真实训系统工作可靠，成功实现了动态仿真监控PLC控制系统的工作过程；系统具有开发扩展性，内嵌子系统可自由增配、升级，柔性好；以较少的硬件投入实现了丰富的实训内容，可充分满足实验环节的创新验证。

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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

江苏省高等学校大学生创新训练计划项目(201313842020X)

孙松丽(1975-)，女，山东莱州人，学士，高级工程师，研究方向：机电一体化。

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

TP 273

A

1006-7167(2015)01-0087-05