基于工控組態軟件的PLC虛擬實驗系統設計與實現

李 寧

（西安航空職業技術學院自動化工程學院，陜西西安，710089）

基于工控組態軟件的PLC虛擬實驗系統設計與實現

李 寧

（西安航空職業技術學院自動化工程學院，陜西西安，710089）

針對職業院校PLC實驗硬件設備不足，實驗項目有限，實驗教學力度不斷增強這種現狀，提出了利用MCGS組態軟件，設計并開發PLC虛擬實驗系統的方法。包括虛擬實驗系統的組成、實驗項目的設計流程，PLC實驗在虛擬實驗平臺的實現。

MCGS；組態軟件；PLC；虛擬實驗

0 引言

隨著計算機信息技術、網絡技術的快速發展，以及工業自動化水平的迅速提高，組態控制、觸摸屏與PLC在工業生產應用中已占據了非常重要的地位。尤其是在流程工業控制中，智能儀表、組態控制軟件、PLC控制器以及現場總線等更是構成其核心技術。為滿足工業自動化領域對此類應用型技術人才的需求，各高職院校更加注重PLC應用技術這一自動化類核心課程的實踐教學環節和教學效果。但是，大多數學校購置的實驗設備不但數量有限，而且每種設備可實現的功能存在局限性，在強化實踐教學的高職院校中，有限的硬件實驗資源和無限的實踐項目教學情境之間，就出現了亟待解決的矛盾。利用組態控制技術，構建PLC系統虛擬實驗平臺，不但能解決上述矛盾，還能開發出更多的具有靈活性、創新性和綜合性的仿真實踐項目，提高學生學習興趣和教學效果，豐富學生工程經驗。

1 組態軟件

組態軟件，又稱組態監控系統軟件。它是數據采集與過程控制的專用軟件，它具有靈活的組態方式，為用戶提供快速構建工業自動控制系統監控功能的、通用層次的軟件工具。MCGS（Monitor and Control Generated System，通用監控系統）組態軟件是北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司研發的一套基于Windows平臺的，用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統。MCGS組態軟件提供了豐富的圖元圖符庫，功能強大的繪圖工具，具有與工業設備通訊的能力，可實現對現場數據的采集處理，并能滿足動畫顯示、報警處理、流程控制、參數設置、數據處理及企業監控網絡等功能。畫面直觀、生動，操作簡單、靈活。

2 基于MCGS組態軟件的PLC虛擬實驗平臺的設計

2.1 PLC虛擬實驗平臺的組成

虛擬實驗平臺的本質是通過MCGS組態軟件構建虛擬硬件被控設備，實現了由計算機及組態軟件系統代替現場被控設備的功能，由PLC作為下位機對被控設備進行運行控制。在利用虛擬實驗平臺進行PLC實驗的過程中，用戶可通過PC/PPI通信電纜，完成上位機組態軟件與PLC的數據通信，采集PLC存儲器及I/O端子的數據，并驅動組態運行環境中的模擬設備的運行，實現模擬和監控的功能，同時檢驗PLC系統控制功能的正確與否。

虛擬實驗平臺主要由計算機，MCGS組態軟件,PC/PPI通信電纜，PLC，STEP7 MicroWIN 編程軟件及常用外部輸入設備組成。如圖1所示。在無法提供按鈕、開關、傳感器等輸入設備的情

況下，也可設計成全虛擬實驗平臺。

圖1 PLC虛擬實驗教學平臺組成

2.2 PLC虛擬實驗平臺實驗項目的開發與設計

不同的PLC控制系統，控制功能和輸入/輸出設備是不一樣的。PLC虛擬實驗平臺設計的核心是針對不同的PLC控制系統，利用MCGS組態控制軟件，設計制作與之對應的組態監控工程，通過組態監控工程實現對PLC控制系統硬件設備動作狀態的虛擬仿真。其設計流程是：根據PLC系統控制要求,開發相應的組態監控動畫界面,設置數據對象,選擇運行策略,設置硬件驅動設備，并建立數據通道連接等。在此，以運料小車精確定位控制系統為例，概括說明設計過程。

2.2.1 分析控制要求，確定被控對象及控制功能

運料小車精確定位控制系統由儲料倉，直線導軌運料小車，步進電機，電磁換向閥、推料氣缸等元件組成。被控對象為運料小車，需要通過步進電機驅動運料小車作直線運動，將六種不同顏色芯質的料塊送到指定倉庫存儲。具體操作：按下啟動按鈕，系統進入啟動運行狀態，運行指示燈點亮。人工放置料塊到小車上，按下該料塊的選擇按鈕，PLC開始向步進電機發送脈沖信號，控制步進電機啟動正轉運行，運料小車左移，將料塊送至指定的倉庫入口，電機停止運行。同時，推料氣缸的活塞桿伸出，將料塊推入料庫，延時2秒，活塞桿復位，步進電機重新啟動反轉運行，運料小車右移，返回原點位置停下來，原點限位開關再次為ON，一次運料過程結束。小車在原點等待下一個入庫的料塊。

設計組態監控系統前，首先要仔細閱讀PLC控制要求,明確系統輸入/輸出設備，確定控制邏輯與功能，規劃組態工程框架，包括初步確定用戶窗口，確定組態工程數據對象，確定動畫顯示方式，確定工程中的PLC數據采集與組態環境中數據庫變量的對應關系等。

2.2.2 仿真動畫界面設計

借助MCGS豐富的圖形庫中圖符和工具箱中的繪圖工具，設計制作動畫畫面，包括運料小車、小車上的推料氣缸、步進電機、倉庫、指示燈、按鈕、數據顯示標簽框等，畫面中的圖形對象即為虛擬仿真硬件設備。虛擬仿真平臺畫面如圖2所示。

圖2 用組態軟件構建的運料小車精確定位控制系統的虛擬仿真界面

2.2.3 實時數據庫的設計

實時數據庫是MCGS工程的數據交換和數據處理中心。建立實時數據庫的實質就是定義數據對象。通過數據對象值得變化，驅動其所關聯的圖符產生相應的動畫效果，模擬現場實際設備的動作狀態，達到仿真目的。運料小車精確定位控制系統建立的數據對象如圖3所示。

圖3 數據對象

圖4 運料小車水平移動屬性設置

2.2.4 動畫連接設計

通過前期編輯設計的虛擬設備畫面是靜止的，為了能產生預期的動畫效果，必須進行動畫連接。動畫連接的工作包括圖元、圖符屬性設置，運行策略組態（如循環策略、腳本策略等）。在運料小車精確定位控制系統中，對運料小車做了水平移動屬性和可見度設置，推料氣缸做了水平移動屬性、大小變化屬性和可見度屬性設置，對活塞桿末端的撞塊設置水平移動屬性、垂直移動屬性和可見度屬性，如圖4所示。對按鈕做了操作屬性設置，各標簽框做了顯示輸出屬性設置。指示燈做了可見度屬性設置等。接下來，選擇使用循環策略，設置循環策略執行周期時間為200ms，并在循環策略中添加控制小車水平移動量的腳本程序，例如控制運料小車水平移動到1號倉庫入口的腳本程序語句段為：

由腳本語句控制數據對象水平移動量的值的變化，再結合運料小車水平移動屬性參數設置，即可實現小車由原點移動到1號倉庫入口的動畫效果。

除了上述設計細節之外，某些控制系統還要進行報警、數據報表、數據變化趨勢曲線等的組態過程，要在主控窗口進行菜單設計等，如基于MCGS組態的PID調節規律虛擬實驗，基于MCGS組態的水箱液位控制虛擬實驗等。

2.2.5 設備通訊與通道連接設計

MCGS組態軟件與PLC的數據通訊是通過在MCGS組態軟件的設備窗口中添加PLC硬件設備，進行通信參數設置，并進行通道連接而實現的。

在設備組態窗口中，先添加串口通訊父設備，再選擇西門子S7-200PPI 為通訊子設備。然后選擇通信協議為PPI通信方式，對添加的通訊設備進行屬性設置，屬性設置要嚴格對照PLC編程軟件STEP7Micro/WIN 的通信窗口中已設置好的通信參數（包括通信地址、通信速率、通信時間及通信端口等）進行。如圖5所示。通道連接是將組態工程中的數據對象與實際的PLC設備的數據之間建立對應關系，這樣,當PLC 內部的存儲器數據發生變化時，上位機數據庫中的數據對象值就隨之變化，或當上位機數據庫中的數據對象值變化時，PLC 內部的可讀寫型的存儲器數據隨之被改寫。如圖6所示。

圖5 運料小車虛擬實驗平臺設備組態窗口

圖6 運料小車虛擬實驗平臺通道連接

3 PLC實驗在虛擬實驗平臺中的實現

在利用組態軟件開發的PLC虛擬實驗平臺進行PLC實驗時，用戶只需要參考通道連接進行PLC控制系統的I/O配置，根據控制要求設計好PLC程序，下載到PLC的程序存儲器中，再將PLC設置成RUN模式。然后關閉STEP7 MicroWIN編程軟件，打開運料小車組態虛擬實驗工程，進入設備屬性窗口的設備調試頁，進行設備通訊連接的調試，若調試窗口中，通道的數據為0,則表示MCGS組態軟件與PLC通信連接成功；若通道的數據不為0,則表示通信連接不正常。在通信正常情況下，啟動PLC系統運行，組態軟件將讀取PLC 的數據，來模擬被控對象的動作，以驗證PLC程序的邏輯功能是否正確。如有錯誤，修改PLC程序，重新按照上述步驟進行驗證。

值得注意的是，組態虛擬實驗工程還可做成完全虛擬的模式，即就PLC的硬件輸入設備都沒有的情況下，可通過上位機給PLC系統送入啟/停信號。此時在進行通道連接中，因為PLC的I寄存器為只讀型（只能讀PLC輸入端子的狀態），所以，可將虛擬輸入設備的信號送入PLC的M寄存器中，給PLC系統送入啟/停命令。但必須要求學生對PLC程序做相應修改，將程序中輸入繼電器I替換成輔助繼電器M；或者給原程序中的輸入繼電器I常開觸點和常閉觸點分別并聯和串聯一個輔助繼電器M，要注意與原PLC程序中的已使用過的其他M 區別開來。這樣，只需一臺PLC,一根PC/PPI電纜，一臺裝有MCGS組態軟件和PLC編程軟件的計算機，即可完成PLC實驗教學。

4 結束

筆者利用組態軟件開發設計出的PLC虛擬實驗平臺，包含了眾多PLC虛擬控制對象，如自動送料裝車系統，電機運行控制、交通信號燈控制、物料分揀檢測系統控制、分揀系統搬運機械手監控、花式噴泉控制、模擬量變頻閉環調速、自動生產線分揀單元監控，自動售貨機等等。這些組態項目既有基本指令編程練習，也有較為復雜的邏輯控制，這些虛擬實驗項目，畫面形象、逼真且生動；使用方便，操作簡單、實用性強且具有可擴展性。在統一安裝了MCGS應用程序的大型機房，配置上s7-200PLC和PC/PPI電纜即可進行PLC實驗教學。此虛擬平臺的開發與應用不但解決各院校實訓設備資源有限的問題，滿足范圍日益擴大的“做學教一體化”的教學需求，同時可提高學生學習興趣和學習效果。實踐證明，借助工控組態軟件開發設計的PLC虛擬實驗平臺切實可行，值得推廣和借鑒。

[1] 北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司. MCGS 參考手冊[S]. 2006.

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[5] 王蘭英.MCGS組態軟件在PLC實驗教學中的應用[J].物理實驗,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

李寧（1975-），女，安徽阜陽，碩士在讀，講師，研究方向：控制工程，PLC、組態及現場總線