基于MCGS的自動化生產線PLC虛擬實驗平臺設計

張建宏 慈瑞梅 郝欣妮

（揚州市職業大學，揚州 225009）

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是工業控制領域的重要裝置，在自動化生產線中具有核心地位。在《中國制造2025》背景下，對于培養高技能應用型人才的高職院校來說，自動化生產線及PLC技術的教學和實驗尤為重要。虛擬實驗是指借助多媒體、仿真和虛擬現實（Virtual Reality，VR）等技術在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作環境，實驗者可以像在真實的環境中一樣完成各種實驗項目，取得的實驗效果等價于甚至優于在真實環境中取得的效果[1]。虛擬實驗的實現將有效緩解很多高校在經費、場地、器材等方面普遍面臨的困難和壓力，有助于提高實驗教學質量。本文使用監視與控制通用系統（Monitor and Control Generated System，MCGS）組態技術進行YL-335B自動化生產線PLC虛擬實驗平臺的設計。

1 PLC虛擬實驗平臺的組成和總體設計方案

1.1 PLC虛擬實驗平臺的組成

設計的PLC虛擬實驗平臺通過MCGS嵌入式組態軟件構建虛擬硬件設備，并作為PLC的控制對象模擬硬件設備運行動作和控制過程[2]。該PLC虛擬實驗平臺主要由1臺三菱FX-3U型PLC、裝有MCGS嵌入版組態軟件和三菱GX Works2編程軟件的計算機、1根連接PLC和計算機的下載線組成，如圖1所示。

圖1 PLC虛擬實驗平臺的組成

1.2 總體方案設計

YL-335B自動化生產線PLC虛擬實驗平臺組態工程的設計，以MCGS嵌入式組態軟件模擬該設備的5個工作站。組態工程中有供料站、輸送站、加工站、裝配站以及分揀站的組態界面。這5個工作站畫面通過策略和腳本程序模擬YL-335B自動化生產線裝備真實的動作流程，且能夠和PLC進行通信，并能通過組態界面反映PLC程序的實時狀態。該PLC虛擬實驗平臺總體設計方案如圖2所示。

圖2 PLC虛擬實驗平臺總體設計方案

2 PLC虛擬實驗平臺設計

2.1 實時數據庫設計

在PLC虛擬實驗平臺中，實時數據可以分為內部變量和外部變量兩部分。內部變量主要負責對用戶窗口中動畫效果的處理；外部變量主要連接外部設備的物理地址，與外部設備進行數據交換。在PLC虛擬實驗平臺各工作站的輸入點，需要連接實時數據庫的外部變量，其中大部分為開關變量。實時數據庫中的變量類型要與外部設備的數據類型相同。設計的PLC虛擬實驗平臺有5個工作站。為了區分各站的輸入X、輸出Y點，在供料站的所有變量前面加“供”，在裝配站的所有變量前面加“裝”，其他工作站照此方式設計。供料站實時數據庫如表1所示。

使用MCGS嵌入版組態軟件按照表1中的參數可以方便地創建實時數據庫，并設置各變量的數據類型[3]。表1中的內部變量和外部變量的創建沒有任何區別，只是它們服務的對象不同。設計PLC虛擬實驗平臺的變量初始值一般都設置為“0”，只有急停按鈕的初始值設置為“1”。

表1 供料站實時數據庫變量表

2.2 人機界面仿真動畫設計

人機界面中，仿真動畫的設計是虛擬實驗平臺的核心。一切變量和腳本都是為人機界面仿真動畫服務的。各站人機界面的仿真動畫都不一樣，但是也有許多相通之處。比如，各站的氣缸和傳感器畫法和動畫腳本編寫相似，各站的控制盒相同，只是連接各站的變量不同。

2.2.1 開始窗口的設計

在PLC虛擬實驗平臺不僅需要建立5個用于模擬各站的模擬窗口，還需要建立1個用于各站之間界面切換的總開始窗口。在總開始窗口中需要創建5個按鈕，用于各站之間的界面切換。各站窗口中也各有1個用于返回總開始窗口的按鈕。設計的開始窗口界面如圖3所示。

圖3 開始窗口界面

2.2.2 系統控制盒和指示燈的設計

在YL-335B自動化生產線設備中，每個站都有一個單獨的控制盒，里面集成了狀態指示燈、開始/停止開關、單站/全站旋鈕和急停按鈕。設計中必須模擬該控制盒，實現與真實控制盒一樣的使用效果。系統控制盒及指示燈的設計效果圖如圖4所示。

圖4 系統控制盒及指示燈設計效果圖

2.2.3 氣缸模擬仿真動畫的設計

在YL-335B自動化生產線裝備中，大部分執行元件是氣缸。在該PLC虛擬實驗平臺設計中，通過MCGS組態軟件賦予氣缸動態效果。設計中為了更好地表現氣缸的工作原理，用簡化圖表示。氣缸的組成與畫法如圖5所示。

圖5 氣缸的組成與畫法

其他各站的氣缸在MCGS組態軟件中制作仿真動畫方法和供料站基本相同，只要連接好各站的內部變量和外部變量即可完成制作。

2.2.4 物料的動畫效果設置

在YL-335B自動化生產線裝備中，物料運行的軌跡不是物料下落就是機械手或推桿帶動的左右移動。在該PLC虛擬實驗平臺中，用垂直移動或水平移動模擬物料的運行狀態。下面以供料站物料為例設置物料的運行動畫效果。在供料站中，物料的布置如圖6所示。

圖6中共制作和設置了6個物料，各物料負責不同段的動畫效果。把6個物料的動畫效果連起來，就能組成完整的動畫效果。為方便區別，這里對各物料進行編號。這6個物料負責的功能各不相同，1號物料主要負責物料落到底部時的位置顯示和氣缸的推桿推動1號物料向右移動，2號物料負責供料完成后物料在物料臺上的位置顯示，3～6號物料負責物料下落時的物料動畫效果。

圖6 供料站物料布置圖

其余各工作站的人機界面仿真動畫設計原理基本與供料站基本相同。它們的人機界面仿真動畫設計效果圖如圖7～圖10所示。

圖7 加工站人機界面仿真動畫設計效果圖

圖8 裝配站人機界面仿真動畫設計效果圖

圖10 輸送站人機界面仿真動畫設計效果圖

圖9 分揀站人機界面仿真動畫設計效果圖

2.3 仿真動畫連接設計

要使設計的人機界面窗口中的構件動態化，必須要有策略腳本的支持。在策略中編寫腳本改變數據變量的值，就可以使對應的構件動態化。在YL-335B自動化生產線裝備中，傳感器信號的給定也是由腳本程序完成的。

MCGS組態軟件中有用戶策略、循環策略、事件策略、報警策略和熱鍵策略5種策略。這些策略的共同點是必須有觸發條件觸發它們，才能運行其中的腳本程序。各種策略的區別是它們執行的方式不同[4]。使用循環策略制作各站的運行仿真動畫，各站的循環策略都要分開，并使用各站的模擬運行變量作為表達式進行觸發。當一個站被打開時，模擬運行變量會置“1”，然后觸發該站的策略，按設定的周期運行其中的腳本程序。

2.4 設備通信與通道連接設計

設計的PLC虛擬實驗平臺能模擬YL-335B自動化生產線裝備的PLC控制過程，能作為PLC控制對象在個人計算機上用MCGS組態軟件模擬出YL-335B自動化生產線裝備各站的控制運行動作，因此必須進行該PLC虛擬實驗平臺與PLC裝置的通信設計。在MCGS嵌入版組態軟件的設備窗口中，有大量的儀表和PLC驅動程序。只要選擇對應的PLC驅動程序和參數，就可以方便地設置通信連接。

具體設置步驟是打開設計的PLC虛擬實驗平臺開發包，找到設備窗口雙擊進入，找到通用串口設備雙擊進入設置通信參數。PLC虛擬實驗平臺通信一般是使用PLC編程口和個人計算機的“COM1”串口，用專用電纜將它們連接。如果“COM1”串口通信不上，只需要點開個人計算機的設備管理器窗口查看是哪個“COM”口被占用。一般被占用的“COM”串口就是用來進行PLC裝置與個人計算機連接的“COM”串口，然后選擇對應的“COM”串口連接。

2.5 模擬仿真運行調試

在設計PLC虛擬實驗平臺時，可以隨時進入模擬仿真運行窗口進行組態調試，并修改和完善組態動畫。設計過程中，可以先完成一部分動畫進行模擬運行測試，然后根據模擬運行測試效果進行修改，完成后再制作下一部分組態仿真動畫，直至所有的組態工程制作調試完畢[5]。

以供料站為例，先點擊總窗口界面中的供料站按鈕進入供料站仿真界面，然后調試供料站氣缸的手動按鈕，測試供料站氣缸的伸出、縮回是否正常，以及供料站氣缸上的磁性開關的暗滅是否正常。這里需要注意，控制氣缸運動連接的變量是總變量Y。最后，測試供料站各傳感器的信號是否正常。在設計的PLC虛擬實驗平臺中，物料需要手動添加。供料站調試完成后的模擬運行仿真界面如圖11所示。

圖11 供料站調試完成后的模擬運行仿真界面

用手動按鈕可以完成供料站各構件模擬運行仿真動畫的調試，通過不斷模擬仿真運行調試，修改不完善的模擬仿真動畫效果，直至完成供料站組態界面的模擬仿真運行動畫調試。其他各工作站模擬仿真運行調試步驟與供料站類似。

3 PLC虛擬實驗平臺工作站聯機測試及驗證

3.1 虛擬實驗平臺工作站聯機測試

在聯機測試前需要進行通信測試，具體操作步驟是打開PLC虛擬實驗平臺，點擊下載配置的“通信測試”按鈕。通信測試完成后，可以進行系統聯機測試。系統聯機測試的具體操作步驟：首先，用三菱編程軟件GXworks2編寫YL-335B自動化生產線裝備各工作站的PLC程序；其次，用三菱編程軟件GXworks2中的批量替換功能，把需要聯機測試的工作站的PLC程序梯形圖中所有的X指令替換成組態軟件里對應的M指令；再次，把X指令批量替換成M指令后的需要聯機測試的工作站PLC程序，用三菱編程軟件GX WORKS2下載到PLC裝置，在個人計算機上打開該PLC虛擬實驗平臺的組態進行工程下載并激活工程，這時該PLC虛擬實驗平臺與PLC裝置聯機成功；最后，進入開始主界面，選擇對應的工作站進行聯機測試。

3.2 驗證PLC虛擬實驗平臺

把在PLC虛擬實驗平臺中測試好的對應工作站PLC程序，通過三菱編程軟件GX WORKS2下載到真實的YL-335B自動化生產線裝備對應的工作站PLC裝置，在YL-335B自動化生產線裝備對應工作站的控制盒上按下開始按鈕，啟動該工作站的運行，觀察YL-335B自動化生產線裝備中該工作站的運行動作是否與該工作站在PLC虛擬實驗平臺中模擬仿真運行的動畫效果相同。通過把在該PLC虛擬實驗平臺中測試的對應工作站PLC程序下載到YL-335B自動化生產線裝備對應工作站上進行反復運行驗證，進一步測試該PLC程序在虛擬實驗平臺的功能。如果把在該PLC虛擬實驗平臺上編寫、調試和模擬仿真運行正確的PLC程序傳輸到YL-335B自動化生產線裝備對應工作站的PLC裝置，PLC程序能在對應工作站正確運行，說明該PLC虛擬實驗平臺設計正確，可以作為PLC的控制對象模擬YL-335B自動化生產線裝備各工作站，并能進行各工作站PLC程序的編寫、調試和模擬運行仿真。以供料站為例，在該PLC虛擬實驗平臺的主開始界面點擊供料站按鈕，打開供料站模擬運行仿真窗口，裝填物料，按SB2啟動，進行供料站的模擬運行仿真，仿真過程如圖12～圖16所示。

圖12 供料站放滿物料仿真示意圖

圖13 供料站頂料氣缸頂料仿真示意圖

圖14 供料站推料氣缸推料仿真示意圖

圖15 供料站推料氣缸縮回仿真示意圖

圖16 供料站頂料氣缸縮回物料下落仿真示意圖

4 結語

以YL-335B自動化生產線裝備為對象，利用MCGS組態技術進行該裝備PLC虛擬實驗平臺的設計。該PLC虛擬實驗平臺能夠在個人計算機上操作運行，能夠進行YL-335B自動化生產線裝備5個工作站PLC程序的編寫和調試以及5個工作站PLC控制過程的模擬運行仿真。在該PLC虛擬實驗平臺上調試和模擬運行仿真正確的PLC程序，可以直接傳輸到YL-335B自動化生產線裝備對應5個工作站的PLC裝置使用，避免了直接在裝備上編程和調試時因編程和調試錯誤對該裝備硬件造成的損壞，提高了PLC程序的編寫、調試效率和裝備的利用率。