基于MCGS組態(tài)技術(shù)的PLC實踐教學(xué)改革

張芬

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動化工程系，陜西 西安 710089）

可編程控制器技術(shù)（PLC技術(shù)）是自動化專業(yè)的核心課程之一，是一門知識覆蓋面廣、涉及內(nèi)容多、更新發(fā)展快、強調(diào)理論而又偏重實踐應(yīng)用的課程，與生產(chǎn)實際和工程應(yīng)用結(jié)合緊密且應(yīng)用廣泛。因此深化對PLC實踐教學(xué)的改革顯得更為重要。

1 組態(tài)軟件概述

組態(tài)軟件，又稱組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件，譯自英文SCADA，即Supervisory Control and Data Acquisition（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）。它是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件。它們處在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域。

MCGS （Monitor and Control Generated System，通用監(jiān)控系統(tǒng)），由北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司開發(fā)，是一套用于快速構(gòu)造和生成計算機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，它能夠在基于Microsoft（各種32位 Windows平臺上）運行，通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制、實時曲線、歷史曲線和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案[4]。

2 PLC實踐教學(xué)中存在的問題

PLC控制應(yīng)用技術(shù)是實踐性非常強的一門課程，如何利用已有的資源，理論聯(lián)系實際，使學(xué)生能最大限度地深入學(xué)習(xí)是該門課程教學(xué)中需要解決的問題。目前科學(xué)技術(shù)日新月異，企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備和工藝流程都在不斷更新?lián)Q代，為了讓學(xué)生能夠盡快適應(yīng)企業(yè)需求，要求我們的實驗內(nèi)容要不斷更新，進而要求實驗設(shè)備要不斷更新。由于受到面積、價格等諸多客觀條件的限制，很難在實驗室配置數(shù)量較多的PLC和較全面的工業(yè)控制對象，也很難實現(xiàn)設(shè)備的不斷更新，因而制約了實驗的數(shù)量和質(zhì)量，普遍存在實驗設(shè)備不足、經(jīng)費不足、實驗內(nèi)容單調(diào)等問題。如何利用現(xiàn)有資源最大限度的滿足實踐教學(xué)需求顯得尤為重要。

3 MCGS組態(tài)技術(shù)用于PLC實踐教學(xué)

采用組態(tài)軟件與PLC控制系統(tǒng)相結(jié)合，進行二次開發(fā)，對PLC控制系統(tǒng)進行動畫組態(tài)、硬件組態(tài)和控制組態(tài)，通過計算機平臺全真模擬PLC自動化控制的教學(xué)實踐過程。即利用MCGS組態(tài)來仿真模擬PLC系統(tǒng)的輸入、輸出設(shè)備?；蛘咭部梢哉f利用MCGS來組態(tài)設(shè)計PLC的控制對象[5]。進行PLC教學(xué)時，教師可以利用組態(tài)軟件很容易地實現(xiàn)文字錄入、圖形繪制、動畫連接、程序編寫、視頻輸出等功能。利用組態(tài)軟件仿真模擬PLC的控制對象能解決無實際控制對象或由于經(jīng)費不足購置困難的問題。利用有限的成本，多樣化的程序來豐富學(xué)生的實驗內(nèi)容，能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、編程技巧和動手能力，大大豐富了PLC實驗課的教學(xué)效果和學(xué)生的工程實踐經(jīng)驗，達到了全方位教學(xué)的目的。將MCGS應(yīng)用于PLC教學(xué)是一種新的探索和嘗試。

筆者將以在化工、機械等行業(yè)的生產(chǎn)過程中應(yīng)用廣泛的混料簡易控制實例，講解組態(tài)控制系統(tǒng)的構(gòu)造過程。

3.1 系統(tǒng)控制要求

初始狀態(tài)容器是空的，電磁閥Y1，Y2，Y3，Y4和攪拌機均為OFF，液面?zhèn)鞲衅鱈1，L2，L3均為OFF。按下啟動按鈕，開始下列操作：電磁閥Y1閉合，開始注入液體A，至液面高度為L3時，停止注入液體A，同時開啟電磁閥Y2，注入液體B，當(dāng)液面高度為L2時，停止注入液體B，同時開啟電磁閥Y3，注入液體C，當(dāng)液面高度為L1時，停止注入液體C。開啟攪拌機M，攪拌混合時間為10 s。停止攪拌后，開啟Y4放出混合液體，至液體高度降為L3后，再經(jīng)5 s停止放出[1]。

3.2 實施步驟

3.2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

了解系統(tǒng)設(shè)計要求，了解系統(tǒng)工藝過程，進行需求分析，確定組態(tài)軟件與PLC的輸入輸出點。本系統(tǒng)選用西門子S7-200系列PLC，系統(tǒng)I/O分配[2]如表1所示。

表1 系統(tǒng)I/O分配表Tab.1 System I/O-distributed-list

3.2.2 程序設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，系統(tǒng)程序設(shè)計如圖1所示[6]。

圖1 系統(tǒng)PLC程序Fig.1 System program of PLC

3.2.3 窗口畫面制作

在MCGS用戶窗口中新建一個多種液體混合監(jiān)控窗口。在窗口中，插入相關(guān)元件，并對其中有動畫效果的圖元進行屬性設(shè)置，如電磁閥的打開與關(guān)閉、攪拌器扇葉的轉(zhuǎn)動、液體的上升與下降等。制作的畫面如圖2所示。

3.2.4 建立數(shù)據(jù)對象

在MCGS組態(tài)運行環(huán)境下，單擊“實時數(shù)據(jù)庫”，按“新增對象”按鈕，根據(jù)系統(tǒng)要求增加數(shù)據(jù)變量。選中新建變量，按“對象屬性”按鈕或雙擊選中變量，則打開對象屬性設(shè)置窗口。按系統(tǒng)要求指定名稱類型，更改用戶定義的名稱。本系統(tǒng)最終實時數(shù)據(jù)庫如圖3所示。

3.2.5 系統(tǒng)調(diào)試

上位機PC和下位機PLC之間通過COM1口進行通信連接，采用串行通信的異步方式，半雙工，偶校驗，波特率9600，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位[3]。當(dāng)上下位機連接成功后，通過串口采集混料罐液位數(shù)據(jù)，使PLC對混料閥門進行控制，就能通過串口改變上位機畫面中閥門和相應(yīng)文字的顏色，以實現(xiàn)對混料灌控制系統(tǒng)的監(jiān)測。反之，也可以通過上位機參數(shù)的改變，把相應(yīng)的值寫入到 PLC的中間繼電器中，實現(xiàn)對混料罐系統(tǒng)液位值的控制。串口父設(shè)備的屬性設(shè)置如圖4所示，子設(shè)備屬性設(shè)置如圖5所示。

3.3 運行效果

實踐證明，該上位機監(jiān)控系統(tǒng)可以模擬現(xiàn)場自動設(shè)備系統(tǒng)的工藝流程，可以與PLC實施信息交互，可以實時監(jiān)控plc工作，人機界面良好，便于操作，系統(tǒng)安全可靠，具有較高的應(yīng)用價值。

4 教改效應(yīng)

1）可以解決實驗內(nèi)容單調(diào)的問題

圖2 系統(tǒng)監(jiān)控界面Fig.2 GUI of system

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)對象Fig.3 Data objects of system

圖5 子設(shè)備參數(shù)設(shè)置Fig.5 Parameter settings of sub equipment

圖4 通用串口父設(shè)備參數(shù)設(shè)置Fig.4 Parameter settings of common serial father’s equipment

利用組態(tài)軟件包中的工具，通過硬件組態(tài)、數(shù)據(jù)組態(tài)、畫面組態(tài)等工作即可完成所需應(yīng)用軟件的開發(fā)工作，可以開發(fā)模擬更多、更直觀的實驗實訓(xùn)項目。

2）可以在節(jié)約資金的基礎(chǔ)上，滿足不斷更新變化的教學(xué)需求

企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備和工藝流程都在不斷更新?lián)Q代，當(dāng)PLC控制對象不滿足教學(xué)時，利用MCGS開發(fā)實驗所需的監(jiān)控界面取代價格昂貴的實物模型，可大大節(jié)省成本，畫面直觀，設(shè)計靈活，調(diào)試方便。

3）采用模擬情境教學(xué)，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，最終達到提高教學(xué)效果的目的

用組態(tài)軟件結(jié)合plc在線運行制成動畫，模擬自動設(shè)備系統(tǒng)的現(xiàn)場工藝流程，讓學(xué)生深刻領(lǐng)會控制的現(xiàn)場工藝要求和生產(chǎn)過程。提高了PLC課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，加深學(xué)生對實驗本身及理論課程的理解，增強實踐應(yīng)用能力，并且使學(xué)生盡早地接觸到了先進的科學(xué)知識和科研方法，開闊了視野，促使學(xué)生想象力、創(chuàng)造力得到了發(fā)揮，為培養(yǎng)高質(zhì)量的人才提供有力的保證。

4）為教師科研提供了便利條件

該方法還可在教師科研中發(fā)揮巨大作用，能夠節(jié)約大量的實驗經(jīng)費，又能縮短實驗時間，提高實驗的效率和安全性。

5 結(jié)束語

基于MCGS組態(tài)軟件的PLC教學(xué)，充分體現(xiàn)了MCGS組態(tài)軟件的強大數(shù)據(jù)處理和圖像表現(xiàn)能力，既可緩解高校PLC實踐教學(xué)設(shè)備投入不足的困難，又可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生PLC控制系統(tǒng)的綜合開發(fā)能力，是PLC實踐教學(xué)方式的一種探索、一種改革、一種進步。

[1]雷霞.基于MCGS和PLC自動混料系統(tǒng)的應(yīng)用[J].儀器儀表用戶，2008（3）：126-127.LEI Xia.The application of automatic mixture system based on MCGS and PLC[J].Instrumentation Customer，2008（3）：126-127.

[2]張玲.《PLC應(yīng)用技術(shù)》教改探索與實踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2006（10）:64-69.ZHANG Ling.《The application of PLC Technology》 exploration and practiceof teachingreform[J].Chinamodern education equipment，2006（10）:64-69.

[3]高麗萍，鄧萍.基于MCGS的PLC虛擬控制系統(tǒng)研究[J].西華大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版，2006，25（1）:94-97.GAO Li-ping，DENG Ping.Virtual control system research of PLCBased onthe MCGS[J].Journalof Xihua University：Natural Science Edition，2006，25（1）:94-97.

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

[5]北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司.MCGS用戶指南[S].2006.

[6]李俊秀，趙黎明.可編程控制器應(yīng)用實訓(xùn)指導(dǎo)[M].北京：北京化學(xué)工業(yè)出版社，2006.