基于MCGS的十字路口交通灯仿真实验平台设计

苗荣霞，齐立坤

（西安工业大学 电子信息工程学院，陕西 西安 710021）

在现代工业自动化四大支柱中位居首位应用深广度上，还没有任意一种控制设备能与PLC相媲美，随着计算机科学技术的进步，特别是计算机控制技术的发展，各行各业对PLC技术人员的需求量急剧上升，对于还在学校的自动化、电气工程专业学生来说掌握好PLC技术已可刻不容缓，从而要更加重视PLC的学习。PLC教学实验需要解决的关键问题是PLC的控制对象。PLC的传统控制对象是实物模型，但食物模型一般存在成本高、难维护、种类少等不足。实验装置通常包括PLC与相关的实验操作面板。实验模块上包括了按钮和指示灯，实验时按下相关的按钮，起动PLC中的程序，同时模块上对应指示灯表示PLC对控制对象的控制情况，这种用指示灯模拟显示PLC控制对象，与实物模型相比成本低，但存在人机界面、可视性差、结果观察不直观等缺点。利用组态软件制作出动画形式直观逼真地显示控制对象的PLC动态控制过程，既可以克服实物模型的缺点，又可利用有限的设备结合多样化的程序丰富学生的实验课内容，提高本课程的理论与实验教学水平和教学效果，提高学生对PLC实验的兴趣和理解，更好的掌握所学的内容。组态程序具有成本低、维护方便、灵活多样、形象直观等优点。

1 MCGS软件介绍

MCGS是用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件。它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。

MCGS嵌入式体系结构分为组态环境、模拟运行环境和运行环境3部分。组态环境和模拟运行环境相当于一套完整的工具软件，可以在PC机上运行。用户可根据实际需要裁减其中内容。它帮助用户设计和构造自己的组态工程并进行功能测试。

由MCGS嵌入版生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略5个部分构成，如图1所示。

2 系统构成

利用MCGS组态软件设计PLC仿真控制对象，是指在计算机上运行事先编写好的MCGS仿真程序，用软件提供的图形动画来代替硬件（被控对象）的工作，借助计算机屏幕观察控制过程与结果。仿真PLC控制对象的实验系统结构如图2所示。

图1 MCGS的组成图Fig.1 MCGS components

图2 系统结构图Fig.2 System structure diagram

3 十字路口交通灯仿真实验平台的设计

十字路口交通灯是PLC实验中典型示例之一，本文以该实验为例来说明利用MCGS组态软件进行PLC实验仿真实验平台设计的的基本方法。本设计主要包括以下四个部分：监控界面的设计、运行策略、通讯设计、运行和调试。

3.1 监控界面的设计

将MCGS组态软件用于PLC实验教学可通过电脑动画显示，监控实验的动态过程，使其具有直观性、灵活性和参与性。

1）仿真画面。为了能够形象生动地表示真实的被控对象，仿真人机界面需要通过绘制逼真的平面或立体图形来展现。在MCGS组态平台上，进入用户窗口的"动画组态"，即进入监控界面制作窗口。图3为十字路口交通灯的仿真画面

2）建立数据库

图3 十字路口交通灯仿真画面Fig.3 Crossroads traffic lights simulation screen

数据库是MCGS软件的核心部分，实验项目要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送到实验PLC上，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。在组态软件中建立一个工程，在导航器的实时数据库中根据控制系统输入输出信号的数量建立相应的变量如表一，并为每个变量定义一个名称，确定变量的类型，只要把I/O变量连结到前面定义的外部设备上，就可以和组态软件开发的仿真系统交换数据了。

3）动画链接

仿真界面设计完成后，还需要动态显示PLC控制过程，需要对这些图形对象进行动画设计，形象生动的展示被控对象的变化过程，达到过程实时监控的目的。在MCGS组态软件中实现图形动画设计的主要方法是将用户窗口中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。在系统运行过程中，图形对象的外观和状态特征由数据对象的实时采集值驱动，从而实现了图形的动画效果。动画链接设计窗口如图4所示。

3.2 运行策略

运行策略是组态软件MCGS为用户提供的一个比较高级的开发平台。在这一平台中，MCGS中包括了大量的运行策略构件，比如脚本程序、窗口操作、存盘数据浏览和定时计数操作等。通过运行策略这一平台，可以编写与设计界面有关的动画程序或是编写与现场控制参数有关的数据处理控制程序，还可以利用其提供的定时器构件实现现场需要的定时操作，打开关闭各种窗口及策略等。运行策略组态如图5所示。

表1 数据对象定义表Tab.1 Data object definition table

图4 动画链接设计窗口Fig.4 Animation link design window

图5 运行策略组态Fig.5 Operation strategy configuration

3.3 通讯设计

设备构件是MCGS系统对外部设备实施设备驱动的中间媒介，通过建立的数据通道，在实时数据库与测控对象之间，实现数据交换，达到对外部设备的工作状态进行实时检测与控制的目的。MCGS系统内部设立有“设备工具箱”，工具箱内提供了与常用硬件设备相匹配的设备构件。在设备窗口内配置设备构件的操作方法是：

1）选择工作台窗口中的“设备窗口”标签，进入设备窗口页。

2）鼠标双击设备窗口图标或单击“设备组态”按钮，打开设备组态窗口。

图6 设备工具箱Fig.6 Equipment toolbox

图7 设备组态窗口Fig.7 Device configuration window

3）在设备组态窗口中单击右键或单击工具箱按钮，单击打开设备工具箱，见图6。

4）双击设备工具箱中的串口通讯父设备，便完成了将其添加到设备组态窗口，用同样的方法可将西门子S7-200PPI添加到设备组态窗口，见图7。

3.4 运行和调试

工程初步建立起来后，进入到运行和调试阶段。在组态软件开发系统中选择“文件 切换到 View”菜单命令，进入MCGS运行系统。在运行系统中选择“画面 打开”命令，从“打开画面”窗口选择“T e s t”画面。

4 结 论

基于MCGS组态软件的PLC实验教学，充分体现了MCGS组态软件的强大数据处理和图形表现能力与强抗干扰能力的完美结合，是PLC实验教学方式的一种探索、一种改革、一种进步。PLC以及组态软件就可以完成整个教学实验系统的开发，这样就解决了各高校开展PLC实验课题难或无法开展PLC实验课题的问题，与传统的实验方法相比，基于组态软件的PLC控制系统仿真实现的优点在于:实验经费少、实验设备简单、实验条件容易满足、安全系数高、实验现象直观、提高学生学习兴趣等。

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