基于MCGS的自动化生产线PLC虚拟实验平台设计

张建宏 慈瑞梅 郝欣妮

（扬州市职业大学，扬州 225009）

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是工业控制领域的重要装置，在自动化生产线中具有核心地位。在《中国制造2025》背景下，对于培养高技能应用型人才的高职院校来说，自动化生产线及PLC技术的教学和实验尤为重要。虚拟实验是指借助多媒体、仿真和虚拟现实（Virtual Reality，VR）等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目，取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中取得的效果[1]。虚拟实验的实现将有效缓解很多高校在经费、场地、器材等方面普遍面临的困难和压力，有助于提高实验教学质量。本文使用监视与控制通用系统（Monitor and Control Generated System，MCGS）组态技术进行YL-335B自动化生产线PLC虚拟实验平台的设计。

1 PLC虚拟实验平台的组成和总体设计方案

1.1 PLC虚拟实验平台的组成

设计的PLC虚拟实验平台通过MCGS嵌入式组态软件构建虚拟硬件设备，并作为PLC的控制对象模拟硬件设备运行动作和控制过程[2]。该PLC虚拟实验平台主要由1台三菱FX-3U型PLC、装有MCGS嵌入版组态软件和三菱GX Works2编程软件的计算机、1根连接PLC和计算机的下载线组成，如图1所示。

图1 PLC虚拟实验平台的组成

1.2 总体方案设计

YL-335B自动化生产线PLC虚拟实验平台组态工程的设计，以MCGS嵌入式组态软件模拟该设备的5个工作站。组态工程中有供料站、输送站、加工站、装配站以及分拣站的组态界面。这5个工作站画面通过策略和脚本程序模拟YL-335B自动化生产线装备真实的动作流程，且能够和PLC进行通信，并能通过组态界面反映PLC程序的实时状态。该PLC虚拟实验平台总体设计方案如图2所示。

图2 PLC虚拟实验平台总体设计方案

2 PLC虚拟实验平台设计

2.1 实时数据库设计

在PLC虚拟实验平台中，实时数据可以分为内部变量和外部变量两部分。内部变量主要负责对用户窗口中动画效果的处理；外部变量主要连接外部设备的物理地址，与外部设备进行数据交换。在PLC虚拟实验平台各工作站的输入点，需要连接实时数据库的外部变量，其中大部分为开关变量。实时数据库中的变量类型要与外部设备的数据类型相同。设计的PLC虚拟实验平台有5个工作站。为了区分各站的输入X、输出Y点，在供料站的所有变量前面加“供”，在装配站的所有变量前面加“装”，其他工作站照此方式设计。供料站实时数据库如表1所示。

使用MCGS嵌入版组态软件按照表1中的参数可以方便地创建实时数据库，并设置各变量的数据类型[3]。表1中的内部变量和外部变量的创建没有任何区别，只是它们服务的对象不同。设计PLC虚拟实验平台的变量初始值一般都设置为“0”，只有急停按钮的初始值设置为“1”。

表1 供料站实时数据库变量表

2.2 人机界面仿真动画设计

人机界面中，仿真动画的设计是虚拟实验平台的核心。一切变量和脚本都是为人机界面仿真动画服务的。各站人机界面的仿真动画都不一样，但是也有许多相通之处。比如，各站的气缸和传感器画法和动画脚本编写相似，各站的控制盒相同，只是连接各站的变量不同。

2.2.1 开始窗口的设计

在PLC虚拟实验平台不仅需要建立5个用于模拟各站的模拟窗口，还需要建立1个用于各站之间界面切换的总开始窗口。在总开始窗口中需要创建5个按钮，用于各站之间的界面切换。各站窗口中也各有1个用于返回总开始窗口的按钮。设计的开始窗口界面如图3所示。

图3 开始窗口界面

2.2.2 系统控制盒和指示灯的设计

在YL-335B自动化生产线设备中，每个站都有一个单独的控制盒，里面集成了状态指示灯、开始/停止开关、单站/全站旋钮和急停按钮。设计中必须模拟该控制盒，实现与真实控制盒一样的使用效果。系统控制盒及指示灯的设计效果图如图4所示。

图4 系统控制盒及指示灯设计效果图

2.2.3 气缸模拟仿真动画的设计

在YL-335B自动化生产线装备中，大部分执行元件是气缸。在该PLC虚拟实验平台设计中，通过MCGS组态软件赋予气缸动态效果。设计中为了更好地表现气缸的工作原理，用简化图表示。气缸的组成与画法如图5所示。

图5 气缸的组成与画法

其他各站的气缸在MCGS组态软件中制作仿真动画方法和供料站基本相同，只要连接好各站的内部变量和外部变量即可完成制作。

2.2.4 物料的动画效果设置

在YL-335B自动化生产线装备中，物料运行的轨迹不是物料下落就是机械手或推杆带动的左右移动。在该PLC虚拟实验平台中，用垂直移动或水平移动模拟物料的运行状态。下面以供料站物料为例设置物料的运行动画效果。在供料站中，物料的布置如图6所示。

图6中共制作和设置了6个物料，各物料负责不同段的动画效果。把6个物料的动画效果连起来，就能组成完整的动画效果。为方便区别，这里对各物料进行编号。这6个物料负责的功能各不相同，1号物料主要负责物料落到底部时的位置显示和气缸的推杆推动1号物料向右移动，2号物料负责供料完成后物料在物料台上的位置显示，3～6号物料负责物料下落时的物料动画效果。

图6 供料站物料布置图

其余各工作站的人机界面仿真动画设计原理基本与供料站基本相同。它们的人机界面仿真动画设计效果图如图7～图10所示。

图7 加工站人机界面仿真动画设计效果图

图8 装配站人机界面仿真动画设计效果图

图10 输送站人机界面仿真动画设计效果图

图9 分拣站人机界面仿真动画设计效果图

2.3 仿真动画连接设计

要使设计的人机界面窗口中的构件动态化，必须要有策略脚本的支持。在策略中编写脚本改变数据变量的值，就可以使对应的构件动态化。在YL-335B自动化生产线装备中，传感器信号的给定也是由脚本程序完成的。

MCGS组态软件中有用户策略、循环策略、事件策略、报警策略和热键策略5种策略。这些策略的共同点是必须有触发条件触发它们，才能运行其中的脚本程序。各种策略的区别是它们执行的方式不同[4]。使用循环策略制作各站的运行仿真动画，各站的循环策略都要分开，并使用各站的模拟运行变量作为表达式进行触发。当一个站被打开时，模拟运行变量会置“1”，然后触发该站的策略，按设定的周期运行其中的脚本程序。

2.4 设备通信与通道连接设计

设计的PLC虚拟实验平台能模拟YL-335B自动化生产线装备的PLC控制过程，能作为PLC控制对象在个人计算机上用MCGS组态软件模拟出YL-335B自动化生产线装备各站的控制运行动作，因此必须进行该PLC虚拟实验平台与PLC装置的通信设计。在MCGS嵌入版组态软件的设备窗口中，有大量的仪表和PLC驱动程序。只要选择对应的PLC驱动程序和参数，就可以方便地设置通信连接。

具体设置步骤是打开设计的PLC虚拟实验平台开发包，找到设备窗口双击进入，找到通用串口设备双击进入设置通信参数。PLC虚拟实验平台通信一般是使用PLC编程口和个人计算机的“COM1”串口，用专用电缆将它们连接。如果“COM1”串口通信不上，只需要点开个人计算机的设备管理器窗口查看是哪个“COM”口被占用。一般被占用的“COM”串口就是用来进行PLC装置与个人计算机连接的“COM”串口，然后选择对应的“COM”串口连接。

2.5 模拟仿真运行调试

在设计PLC虚拟实验平台时，可以随时进入模拟仿真运行窗口进行组态调试，并修改和完善组态动画。设计过程中，可以先完成一部分动画进行模拟运行测试，然后根据模拟运行测试效果进行修改，完成后再制作下一部分组态仿真动画，直至所有的组态工程制作调试完毕[5]。

以供料站为例，先点击总窗口界面中的供料站按钮进入供料站仿真界面，然后调试供料站气缸的手动按钮，测试供料站气缸的伸出、缩回是否正常，以及供料站气缸上的磁性开关的暗灭是否正常。这里需要注意，控制气缸运动连接的变量是总变量Y。最后，测试供料站各传感器的信号是否正常。在设计的PLC虚拟实验平台中，物料需要手动添加。供料站调试完成后的模拟运行仿真界面如图11所示。

图11 供料站调试完成后的模拟运行仿真界面

用手动按钮可以完成供料站各构件模拟运行仿真动画的调试，通过不断模拟仿真运行调试，修改不完善的模拟仿真动画效果，直至完成供料站组态界面的模拟仿真运行动画调试。其他各工作站模拟仿真运行调试步骤与供料站类似。

3 PLC虚拟实验平台工作站联机测试及验证

3.1 虚拟实验平台工作站联机测试

在联机测试前需要进行通信测试，具体操作步骤是打开PLC虚拟实验平台，点击下载配置的“通信测试”按钮。通信测试完成后，可以进行系统联机测试。系统联机测试的具体操作步骤：首先，用三菱编程软件GXworks2编写YL-335B自动化生产线装备各工作站的PLC程序；其次，用三菱编程软件GXworks2中的批量替换功能，把需要联机测试的工作站的PLC程序梯形图中所有的X指令替换成组态软件里对应的M指令；再次，把X指令批量替换成M指令后的需要联机测试的工作站PLC程序，用三菱编程软件GX WORKS2下载到PLC装置，在个人计算机上打开该PLC虚拟实验平台的组态进行工程下载并激活工程，这时该PLC虚拟实验平台与PLC装置联机成功；最后，进入开始主界面，选择对应的工作站进行联机测试。

3.2 验证PLC虚拟实验平台

把在PLC虚拟实验平台中测试好的对应工作站PLC程序，通过三菱编程软件GX WORKS2下载到真实的YL-335B自动化生产线装备对应的工作站PLC装置，在YL-335B自动化生产线装备对应工作站的控制盒上按下开始按钮，启动该工作站的运行，观察YL-335B自动化生产线装备中该工作站的运行动作是否与该工作站在PLC虚拟实验平台中模拟仿真运行的动画效果相同。通过把在该PLC虚拟实验平台中测试的对应工作站PLC程序下载到YL-335B自动化生产线装备对应工作站上进行反复运行验证，进一步测试该PLC程序在虚拟实验平台的功能。如果把在该PLC虚拟实验平台上编写、调试和模拟仿真运行正确的PLC程序传输到YL-335B自动化生产线装备对应工作站的PLC装置，PLC程序能在对应工作站正确运行，说明该PLC虚拟实验平台设计正确，可以作为PLC的控制对象模拟YL-335B自动化生产线装备各工作站，并能进行各工作站PLC程序的编写、调试和模拟运行仿真。以供料站为例，在该PLC虚拟实验平台的主开始界面点击供料站按钮，打开供料站模拟运行仿真窗口，装填物料，按SB2启动，进行供料站的模拟运行仿真，仿真过程如图12～图16所示。

图12 供料站放满物料仿真示意图

图13 供料站顶料气缸顶料仿真示意图

图14 供料站推料气缸推料仿真示意图

图15 供料站推料气缸缩回仿真示意图

图16 供料站顶料气缸缩回物料下落仿真示意图

4 结语

以YL-335B自动化生产线装备为对象，利用MCGS组态技术进行该装备PLC虚拟实验平台的设计。该PLC虚拟实验平台能够在个人计算机上操作运行，能够进行YL-335B自动化生产线装备5个工作站PLC程序的编写和调试以及5个工作站PLC控制过程的模拟运行仿真。在该PLC虚拟实验平台上调试和模拟运行仿真正确的PLC程序，可以直接传输到YL-335B自动化生产线装备对应5个工作站的PLC装置使用，避免了直接在装备上编程和调试时因编程和调试错误对该装备硬件造成的损坏，提高了PLC程序的编写、调试效率和装备的利用率。