基于MCGS和PLCSim的虛擬教學實驗平臺的設計與實現

馮軍磊 王艷平

摘要：設計并實現了一種基于MCGS和PLCSim的虛擬教學實驗平臺，給學生提供無需硬件PLC即可學習PLC和MCGS組態技術的教學實訓平臺。經過實際運行驗證，該平臺運行良好，可以適應現代化教學的需要。

關鍵詞：PLCSim;MCGS;虛擬;教學實驗平臺

0? ? 引言

隨著“中國制造2025”計劃的實施，國家制造業正在由粗放式、人工操作的模式轉向信息化、智能化，學生對PLC（可編程邏輯控制器）技術的需求日益增強。PLC使用靈活的軟件編程語言替代了接線和設備種類繁雜的控制電路，在各行業中應用廣泛。作為機電一體化、自動化、現代電氣工程及其自動化、機械工程及其自動化的核心專業，PLC的系統學習是重中之重。

本文設計了一種基于MCGS和PLCSim的虛擬教學實驗平臺，使用PLCSim代替硬件PLC，達到學習PLC編程、界面組態等核心內容的目的。此系統可以降低學校在相關實訓設備方面的大量投入，提高學生學習PLC編程和組態技術的效果。

1? ? 虛擬教學實驗系統總體設計

本虛擬教學實驗系統使用軟件PLC（PLCSim，PLC仿真軟件）代替硬件PLC，實現以往必須有硬件PLC才能進行的程序運行、程序調試等工作。設計的系統結構圖如圖1所示。

本系統主要由PLC開發運行平臺和MCGS開發和運行環境組成。PLC開發運行平臺由SIMATIC Manager和PLCSim組成。其中，SIMATIC Manager主要完成PLC的硬件組態[1]、網絡組建、控制程序編寫、程序的監控和調試任務;PLCSim來實現PLC功能，模擬運行PLC程序。MCGS開發和運行環境由MCGSE組態環境和MCGSE模擬運行環境組成。其中，MCGSE組態環境用來開發MCGS程序，MCGSE模擬運行環境來運行MCGS程序。

2? ? 虛擬系統搭建

2.1? ? SIMATIC Manager平臺

SIMATIC Manager是西門子公司開發的S7-300和S7-400系列可編程控制器進行組態、編程和程序調試的軟件。安裝時建議采用默認的安裝路徑（C：＼Program Files＼Siemens），安裝類型可采用默認安裝類型。

2.2? ? PLCSim平臺

S7-PLCSim是可以對編寫的PLC程序進行仿真運行的虛擬邏輯控制器（虛擬PLC），可以在沒有硬件PLC的情況下，對編寫的代碼進行運行、調試。PLCSim提供了可以監控程序運行、模擬硬件輸入/輸出端口數據的功能，可以對PLC的運行進行數據交互，對程序在線仿真調試完后，可以直接切換到真實的PLC上進行運行。

2.3? ? MCGS開發和運行環境

MCGS開發軟件分為三個版本：嵌入式版、通用版和網絡版。由于嵌入式版必須配合觸摸屏使用，網絡版的通用控件相對較少，通用版運行在PC端，本設計選用通用版MCGS作為組態開發軟件。通用版安裝包含有MCGSE組態環境和MCGSE模擬運行環境兩部分，MCGSE組態環境進行PLC設備組態、通信配置、界面組態和數據交互設計，MCGSE運行環境用來運行MCGSE組態環境開發好的組態程序。

2.4? ? 數據的橋接

NetToPLCsim使用官方的PLCSim接口文件S7ProSim-

COM-object實現PLCSim的數據交互。由于PLCSim無法和外界程序直接通信，需要使用橋接軟件完成MCGS和PLCSim的通信。本系統選用NetToPLCsim作為PLCSim和MCGS運行環境的橋接工具。NetToPLCsim運行界面如圖2所示。

3? ? 調試與運行

為了驗證虛擬教學平臺的可行性，本設計以交通燈為例調試該虛擬教學平臺。

3.1? ? PLC程序的編制

3.1.1? ? 交通燈工作原理

使用SIMATIC Manager開發紅綠燈控制程序。按照交通燈功能，此例功能為：東西向綠燈亮4 s→黃燈亮1 s→紅燈亮5 s，南北向紅燈亮5 s→綠燈亮4 s→黃燈亮1 s。

交通燈的PLC程序可以簡化為5個狀態。其中S1狀態為初始狀態，PLC上電后，沒有信號輸入的情況下一直工作在此狀態下;S2狀態為東西向綠燈亮4 s、南北向紅燈亮4 s狀態;S3狀態為東西向黃燈亮1 s、南北向紅燈亮1 s狀態;S4狀態為東西向紅燈亮4 s、南北向綠燈亮4 s;S5狀態為東西向紅燈亮1 s、南北向黃燈亮1 s。設計的交通燈PLC程序狀態如表1所示。

PLC上電執行S1狀態，啟動信號出現后，切入S2狀態。S2狀態切換到S3狀態的條件為定時4 s時間到;S3狀態切換到S4狀態的條件為定時1 s時間到;S4狀態切換到S5狀態的條件為定時4 s時間到;S5狀態切換到S2狀態的條件為定時1 s時間到，如此反復執行。

3.1.2? ? 編制PLC程序

根據交通燈工作原理設計的交通燈程序如圖3所示。

3.2? ? MCGS界面組態

MCGS組態分為三大部分：設備組態、數據連接、界面組態。

3.2.1? ? 設備組態

設備窗口中，添加“所有設備”→“PLC設備”→“西門子”→“S7CP343&443TCP”。設備組態還需要完成本機IP地址的設置、遠程IP地址的設置，其中本機IP地址是運行MCGS組態環境的電腦IP地址。

3.2.2? ? 數據連接

在MCGS進行界面設計時，PLC內部數據的采集和界面顯示動畫連接的數據不是同一個變量。因此，在進行MCGS的界面設計前，需要將MCGS界面用到的數據和PLC內部數據進行采集和連接。PLC內部數據和MCGS變量連接關系如表2所示。

3.2.3? ? 界面組態

按照交通燈需要進行界面組態，界面元件放置好后，將信號燈與數據對象綁定。交通燈界面元件和數據綁定關系圖如表3所示。

3.3? ? 運行結果

程序編制完成后設置SIMATIC Manager的通信方式為“PLCSIM（TCP/IP）”，運行PLCSim，將SIMATIC Manager編制的程序下載到PLCSim中，將PLCSim中CPU狀態置為RUN-P，啟動交通燈的MCGS程序。設計的虛擬教學實驗平臺運行效果如圖4所示。

4? ? 結語

本文通過對交通燈控制程序的調試和運行，設計的基于MCGS和PLCSim的虛擬教學實驗平臺運行正常，可以滿足PLC程序設計、運行，MCGS界面組態、調試、運行等現代化教學和學習需要。

[參考文獻]

[1] 湯曉華，蔣正炎.現代電氣控制系統安裝與調試[M].北京：中國鐵道出版社，2017.

收稿日期：2020-01-06

作者簡介：馮軍磊（1989—），男，河南西平人，助教，研究方向：計算機檢測與控制、物聯網技術應用。

王艷平（1992—），女，貴州畢節人，助教，研究方向：電氣工程及其自動化、機電一體化。