MCGS 組態技術在PLC 項目化教學中的應用＊

常州大學微電子與控制工程學院 蔣建明 郝振華 王雪 劉志超 史兵

西門子S7-1200PLC 項目化教學中許多變量在控制過程中不斷變化，博途編程軟件的狀態監控難以全面監控各變量實時變化。MCGS 組態軟件可以通過對現場數據采集處理，以動畫顯示、數值顯示等方式解決工程問題。本文分析了S7-1200 的伺服運動控制，結合MCGS組態監控，為項目化教學提供了更為直觀的控制效果。MCGS 上位機編程和PLC 底層程序設計融合項目化教學有利于提高學生工程應用能力。

隨著計算機科學與工業化技術的飛速發展，傳統的工業控制軟件已難以滿足數據采集和過程控制需求。MCGS(Monitor and Control Generated System)是一種用于快速構造和生成計算機監控系統的組態軟件，通過對工業現場數據的采集、以動畫顯示、報警處理、流程控制和報表輸出等形式解決系統工程的監控需求[1]。

如圖1 所示，MCGS 組態軟件由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據和運行策略五部分組成，組態結果數據庫完成了MCGS 系統從組態環境向運行環境的過渡[2]。

圖1 MCGS 組態軟件結構圖Fig.1 Structure diagram of MCGS configuration software

1 PLC 程序設計及MCGS 組態

1.1 S7-1200PLC 程序設計

在西門子S7-1200 伺服控制項目化教學過程中，S7-1200PLC、V90(PN)伺服控制器和MCGS 觸摸屏通過以太網通信。在運動控制中，軸與機械負載直接連接，可以驅動負載完成旋轉運動、直線運動等，還可以多軸協調運動[3]。S7-1200 和V90(PN)通過以太網通信實時傳輸用戶/進程數據以及診斷數據。伺服驅動器內部集成抱閘繼電器，當使用帶抱閘電動機時可直接控制電動機動作。V90 的驅動和電動機可以達到3 倍的過載能力，具有電動機轉矩波動低，參數設置圖形化的特點，還具有通俗的電機狀態界面監控和高效的示波及測量功能，集成了安全扭矩關斷功能，能防止電動機意外轉動[4]。

S7-1200 控制運動時，支持運行中更改電機的速度和位移，西門子博圖編程軟件中通過添加伺服軸工藝對象，V90 使用標準報文3，通過MC_Power、MC_MoveAbsolute等PLC Open 標準程序塊進行中央控制模式[5]。在程序控制中主要完成啟動/禁用軸、回原點、點動伺服正反轉、絕對位移移位、相對位移移位、錯誤確認、讀取伺服位移位置以及伺服運動速度功能[6]。

S7-1200 的運動控制組態支持脈沖控制（PTO 控制）和PN（PROFINET）網絡控制，支持閉環控制，在對驅動器進行PTO 控制時，可對軸進行速度控制和開環控制。

1.1.1 伺服控制功能指令

如圖2 所示，啟動/禁用軸(MC_Power)指令功能是使用軸或禁用軸。

圖2 啟用、回原點功能指令Fig.2 Enable and return to origin function commands

（1）N:該輸入端是MC_Power 指令的使能端，在程序運行時必須一直調用。

（2）Axis:與添加的DB9“伺服”軸工藝連接。

（3）Enable:在工業控制中用于在特殊情況下急停，本系統中鏈接至S7-1200 的I0.6 輸入端。

（4）Startmode:軸啟動模式，0 表示啟用位置不受控的定位軸即速度控制模式；1 表示啟用位置受控的定位軸即位置控制。

（5）StopMode:軸停止模式，0 表示緊急停止，如果禁用軸的請求處于待決狀態，則軸將以組態的急停減速度進行制動；1 表示立即停止，如果禁用軸的請求處于待決狀態，則會輸出該設定值 0，并禁用軸。軸將根據驅動器中的組態進行制動，并轉入停止狀態。

1.1.2 回原點

如圖3 所示，回原點指令MC_Home 的功能是使軸歸位，設置參考點，用來將軸坐標與實際的物理驅動器位置進行匹配。

圖3 回原點指令設置Fig.3 Back to origin command setting

（1）接近速度設置為5.0mm/s，回原點速度設置為2.0mm/s。接近速度為尋找原點開關的起始速度，當程序中觸發了MC_Home 指令后，軸立即以“接近速度”運行來尋找原點開關。軸以“接近速度”運行尋找原點開關時，當軸碰到原點開關的有效邊沿后軸從“接近速度”切換到“回原點速度”來最終完成原點定位。“回原點速度”要小于“接近速度”，“回原點速度”和“接近速度”都不宜設置得過快。

（2）Axis 同樣與DB9“伺服”軸工藝連接；指令執行位（Execute）連接到S7-1200 的I0.7，如果需要在MCGS 控制界面上控制回原點，只需要與I0.7 并聯一個PLC 的M 存儲器二進制位。

Mode=3 表示主動回零點，軸的位置值為參數“Position”的值。

1.1.3 點動伺服正反轉

手動正反轉、絕對定位指令如圖4 所示，在點動模式下以指定的速度連續移動軸。

圖4 手動正反轉、絕對定位指令Fig.4 Manual forward and reverse,absolute positioning instructions

JogForward:正向點動，不是用上升沿觸發，JogForward為1 時，軸運行；JogForward 為0 時，軸停止。類似于按鈕功能，按下按鈕，軸就運行，松開按鈕，軸停止運行。JogBackward:反向電動。Velocity 用于設置點動軸移動速度。

絕對位置指令（MC_MoveAbsolute）表示使軸以某一速度進行絕對位置定位。

當與位置指令塊“Execute”相連的M11.3（通過MCGS組態界面控制）有效時，軸移動到與“Position”相連的MD108 存儲器中存放的坐標位置，移動速度由“Velocity”設定值控制。

相對距離指令（MC_MoveRelative）是相對定位軸指令的執行不需要建立參考點（原點），只需要定義距離、速度和方向即可。當上升沿使能“Execute”后，軸按照設定的速度和距離運行，使軸以某一速度在軸當前位置的基礎上移動一個相對距離。

伺服運動位移及速度讀取:S7-1200 分別通過MC_ReadParam 指令讀取軸伺服運動的當前位移和當前速度。

1.2 上位機組態設置

MCGS 觸摸屏、S7-1200 和V90 通信需要設置IP 地址在同一網段，如分別設置為192.168.1；192.168.2；192.168.3。打開MCGS 組態軟件界面，在設備串口打開“設備工具箱”中的“設備管理”，找到Simens_1200 并安裝，然后在“設備工具箱”中找到Simens_1200，雙擊添加。雙擊打開“設備編輯窗口”，在該窗口的遠端IP 地址輸入S7-1200IP 地址。設置完成后計算機上的組態軟件與PLC 通過以太網通信。

2 運行結果

如圖5 所示，MCGS 觸摸屏監控了伺服運動的變化過程，實時顯示了運動位置、速度，并可以在觸摸屏上修改輸入參數，加深了學生感性認識。

3 展望

MCGS 觸摸屏與西門子S7-1200 通過以太網通信，有效監控了S7-1200 控制的伺服控制運動，既加深了學生對伺服運動的理解，也提高了上位機組態軟件的編程能力。