MCGS組態軟件在PLC實驗項目中的應用

摘要：為應對傳統PLC實驗教學中邏輯抽象、場景固化及學生工程實踐能力培養不足等問題，該研究提出并實踐了一套融合MCGS組態軟件的教學改革方案。該方案以構建“軟件仿真+硬件實操”的虛實結合實驗模式為核心，通過設計多層次、項目化的實驗內容，實現了PLC底層控制邏輯與上層HMI可視化監控的深度整合。新疆工程學院的教學實踐表明，該模式顯著增強了教學過程的直觀性與交互性，有效提升了學生的系統設計、工程實踐及創新思維能力，為自動化類專業實驗教學的優化提供了可復制的范例。

關鍵詞：MCGS組態軟件；PLC實驗；教學改革；實踐能力；可視化監控

中圖分類號：TP391.72?" " " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）28-0123-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

PLC（可編程邏輯控制器） 是以微處理器為基礎，綜合了計算機、自動控制和通信等技術的一種新型通用工業控制裝置[1]。它具有結構簡單、編程方便、可靠性高等優點，作為工業自動化的核心控制設備，是自動化、電氣工程及其自動化等專業的核心課程內容[2]。實驗教學作為連接理論與工程實踐的關鍵環節，直接影響學生對控制邏輯的理解和工程應用能力的培養。

傳統模式在教學過程中主要存在以下3方面問題：1） 認知層面，開設的實驗大多通過按鈕、開關輸入指令，通過繼電器的吸合或指示燈的開閉來觀察結果，整個過程靜態、抽象，難以直觀展示控制邏輯與被控對象動作間的動態聯系，學生理解起來有困難。2） 實踐層面，《電氣控制技術與PLC》實驗開展需要配備足夠臺套數的PLC主機、擴展模塊及各種被控對象模型（如電梯、機械手、立體倉庫等） ，實體模型的數量和種類有限，實驗項目開展多為單一、基礎的“星三角啟動、燈光控制”等，所編寫的PLC程序大多通過硬件指示燈的亮滅、機械運動等方式呈現，難以開展綜合性、設計性的復雜項目，限制了學生創新思維的培養[3]。3） 資源與安全層面，學生接線操作不熟練易導致端口燒毀、設備短路等問題，不僅造成設備損耗，也存在一定的安全隱患，設備投入和維護費用巨大，還存在故障模擬與數據分析困難的問題，實體硬件故障設置復雜，實驗數據記錄依賴人工，難以開展系統性分析與優化。

MCGS（Monitor and Control Generated System） 作為國內主流的工業組態軟件，具備強大的可視化組態、實時數據采集、動態仿真及數據處理功能[4]，其可視化、仿真和監控功能可以有效解決上述3方面問題。本文基于MCGS組態軟件，探索PLC實驗項目的教學改革路徑，旨在構建更貼近工業實際、更利于學生能力培養的實驗教學體系。

1 基于MCGS的“虛實結合”PLC實驗教學新模式構建

傳統模式PLC實驗教學主要采用實體硬件裝置，僅配備“指示燈+電機”的實驗臺，無法開展“溫度控制”“液位控制”等涉及模擬量或特殊傳感器的實驗。MCGS軟件的加入能克服傳統硬件實驗弊端，形成一種“虛實結合”的新模式。

新模式構建中，硬件采用亞龍YL-360型可編程控制器實訓裝置，在實驗中作為物理驗證和接線訓練的基礎；軟件采用MCGS軟件，它具有快速構建和實現上位機監控系統的功能，通過與下位機（如PLC） 進行通信，實現數據采集、流程控制、動畫顯示、報警處理等功能[5]。實驗過程中利用MCGS強大的動畫和圖形繪制功能，可以逼真地模擬出各種工業現場的被控對象，如傳送帶、液位水箱、機械手、智能倉庫等，還能將PLC內部抽象的繼電器、寄存器狀態轉化為生動、直觀的動畫效果[6]。

PLC仿真實驗教學系統由計算機、PLC和亞龍YL-360實驗設備組成，計算機需安裝PLC編程軟件和MCGS組態軟件，二者通過以太網連接，形成一個下位機（PLC） 執行控制、上位機（MCGS） 進行監控與交互的、貼近工業現場的完整系統架構，這就是構建的“軟件仿真+硬件實操”的混合模式[7]。

2 MCGS在PLC實驗項目中的應用實施——以“十字路交通燈系統”為例

十字路口交通燈控制教學項目有如下需求。控制系統實驗設備采用亞龍YL-360型可編程控制器實訓裝置，實驗設備使用模塊如圖1所示，交通燈各燈按設定好的規律在模擬控制模塊和MCGS觸摸屏上能模擬兩地進行交通燈的自動控制與顯示。系統的控制要求如下：

在模擬控制模塊上設有啟動和停止開關S1、S2，用以控制系統的“啟動”與“停止”。在MCGS觸摸屏上設有啟動、停止按鈕、對應的指示燈及東西、南北方向的各個交通指示燈。

交通燈顯示方式：當東西方向紅燈亮時，南北方向綠燈亮；當綠燈亮到設定時間（如4 s） 時，綠燈閃亮2次，閃亮周期為1 s，然后黃燈亮2 s；當南北方向黃燈熄滅后，東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮；當東西方向綠燈亮到設定時間（如4 s） 時，綠燈閃亮2次，閃亮周期為1 s，然后黃燈亮2 s；當東西方向黃燈熄滅后，再轉回東西方向紅燈亮，南北方向綠燈亮……周而復始，不斷循環[8]。

PLC作為下位控制核心，負責接收開關輸入信號，執行控制邏輯，使交通燈按照編寫程序精確顯示亮滅動作。MCGS作為上位機監控系統，提供人機交互界面，顯示交通燈實時狀態，并可下發控制指令，實現兩地控制[9]。

3 系統設計方案

通過講授、啟發引導和討論，使學生掌握十字路口交通燈控制系統的工作原理與控制要求，以及十字路口交通燈控制PLC的I/O口地址分配、PLC的I/O口外部接線圖繪制、PLC梯形圖程序編寫和MCGS組態工程畫面設計。

3.1 組態仿真畫面

通過分析，列出十字路口交通燈控制系統PLC I/O口地址分配表和MCGS實時數據庫對應的變量表，如表1所示。

在MCGS組態環境中新建工程，在“設備窗口”中添加“通用TCP/IP父設備”，并在其下添加“Siemens smart200”子設備，配置PLC的IP地址。首先需查找上位機的本地IP地址，如192.168.2.1，輸入端口號3，設置PLC的IP地址與本地IP不能沖突，可以設置為192.168.2.10，端口號3，CPU類型與實際PLC一致（SR30） ，建立與PLC的以太網通信連接[10]。新建用戶窗口，使用“工具箱”插入位圖作為十字路口交通燈控制系統背景，繪制按鈕，用于下發指令（如啟動、停止） ；添加指示燈，用于顯示交通燈狀態，設置基本屬性顯示顏色（如紅、綠、黃三種顏色） ，設置操作屬性，變量選擇方式選擇根據采集信息生成，使MCGS實時數據庫采集PLC對應的I/O口地址，完成系統MCGS組態工程畫面設計。

3.2 PLC控制程序

根據控制要求，用中間繼電器M0.0控制系統啟動和停止，采用定時器循環控制交通燈的綠燈亮4 s，綠燈閃亮2次，閃亮周期為1 s，然后黃燈亮2 s，紅燈亮8 s。閃爍電路采用特殊功能寄存器SM0.5，0.5 s接通、0.5 s斷開，周期1 s。“

4 實驗驗證與結果分析

程序與組態畫面下載并運行后，系統表現出預期的效果。通過操作硬件啟動開關（S1） 或點擊MCGS界面的啟動按鈕，均能觸發控制流程。交通燈狀態在物理模塊指示燈和MCGS虛擬界面上同步、準確地顯示，驗證了軟硬件之間通信的可靠性和控制邏輯的正確性。綠燈閃爍、黃燈延時等時序控制功能，通過觀察與計時，確認與程序設定的定時器參數一致。該調試過程驗證了“虛實結合”模式下兩地控制、同步監控的可行性。

5 教學改革成效分析

將MCGS引入PLC實驗教學后，有效緩解了學校硬件設備不足的問題。一套PLC硬件可以配合多臺安裝了MCGS的電腦使用，可以同時進行多個不同項目的仿真調試，大大提高了設備利用率和實驗開出率。

綜合提升了學生的學習興趣和學習的主動性，用生動的動畫界面取代了傳統的指示燈，讓學生自己建立操作界面，發揮學生的創造能力，極大地激發了學生在實際操作中的學習熱情。學生能清晰地認識到一個置位指令如何控制機械手抓取物體，一個計數器如何計量傳送帶上的工件數量，對PLC的掃描周期、信號流等核心概念的理解更加深刻。

理論知識掌握更加牢固，抽象的控制概念通過動畫變得具體易懂，學生經歷了一個完整的從需求分析、硬件配置、程序編寫、界面設計到系統聯調的項目開發周期。這不僅鍛煉了PLC編程能力，更培養了其系統設計、調試和解決復雜工程問題的綜合能力，創新思維得到了鼓勵和發展。

實驗成績得到了顯著提升。在同一平行班中，電氣2022-1班開展教學改革，電氣2022-2班按照傳統方法完成實驗，實驗成績由實操×50%和實驗報告×50%組成，電氣2022-1班平均成績85.4，電氣2022-2班平均成績73.6。實驗成績顯著提升。

學生學習能力得到鍛煉的同時掌握了PLC和組態軟件這兩項工業現場的核心技能，畢業時滿足現代企業對新型自動化人才的技能要求，提升了就業競爭力。

6 結束語

將MCGS組態軟件應用于PLC實驗項目（如十字路口交通燈控制） ，有效解決了傳統實驗教學中存在的諸多問題。通過構建融合MCGS的PLC仿真實訓教學體系，設計多層次的實驗項目，實現了控制邏輯的可視化呈現、實驗場景的靈活拓展及學生實踐能力的綜合培養。實踐證明，這種“虛實結合”的教學模式不僅能夠深化學生對理論知識的理解，更能全方位地培養其工程實踐能力、系統設計能力和創新能力，是一種行之有效且值得大力推廣的教改方案。但本研究有一定的局限性。研究僅以一個相對基礎的“交通燈”項目為例，該模式在更復雜的工業流程控制項目中的有效性有待進一步驗證。另外，成效分析主要依賴問卷，缺乏對學生能力提升的長期縱向跟蹤。

參考文獻：

[1] 楊軼霞.組態軟件在PLC實訓項目中的應用[J].集成電路應用，2023，40（2）：78-79.

[2] 王亞芳，吳曉，郭曉麗，等.基于組態軟件的PLC虛擬對象的應用研究[J].科技與創新，2022（10）：147-149.

[3] 吳其，楊田.PLC技術在工控組態軟件課程中的應用研究[J].河北農機，2021（2）：84-85.

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[5] 杜靜，王娟平.MCGS組態軟件在PLC項目教學中的應用[J].信息記錄材料，2018，19（8）：208-209.

[6] 北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司.MCGS組態軟件用戶手冊[Z].北京： 北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司，2010.

[7] 廖常初.S7-1200PLC應用教程[M].2版.北京：機械工業出版社，2020.

[8] 王永華.現代電氣控制及PLC應用技術[M].5版.北京：北京航空航天大學出版社，2019.

[9] 張偉，李靜.基于組態軟件的PLC仿真實驗系統設計[J].實驗室研究與探索，2021，40（5）：150-153.

[10] 陳愛午.項目教學法在PLC課程中的應用研究：以MCGS組態仿真為例[J].教育教學論壇，2022（18）：105-108.

【通聯編輯：代影】