基于工控組態(tài)軟件的PLC虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 寧

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院，陜西西安，710089）

基于工控組態(tài)軟件的PLC虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 寧

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院，陜西西安，710089）

針對(duì)職業(yè)院校PLC實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備不足，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有限，實(shí)驗(yàn)教學(xué)力度不斷增強(qiáng)這種現(xiàn)狀，提出了利用MCGS組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)并開發(fā)PLC虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的方法。包括虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)流程，PLC實(shí)驗(yàn)在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)。

MCGS；組態(tài)軟件；PLC；虛擬實(shí)驗(yàn)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，以及工業(yè)自動(dòng)化水平的迅速提高，組態(tài)控制、觸摸屏與PLC在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中已占據(jù)了非常重要的地位。尤其是在流程工業(yè)控制中，智能儀表、組態(tài)控制軟件、PLC控制器以及現(xiàn)場(chǎng)總線等更是構(gòu)成其核心技術(shù)。為滿足工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)Υ祟悜?yīng)用型技術(shù)人才的需求，各高職院校更加注重PLC應(yīng)用技術(shù)這一自動(dòng)化類核心課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)效果。但是，大多數(shù)學(xué)校購置的實(shí)驗(yàn)設(shè)備不但數(shù)量有限，而且每種設(shè)備可實(shí)現(xiàn)的功能存在局限性，在強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)的高職院校中，有限的硬件實(shí)驗(yàn)資源和無限的實(shí)踐項(xiàng)目教學(xué)情境之間，就出現(xiàn)了亟待解決的矛盾。利用組態(tài)控制技術(shù)，構(gòu)建PLC系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不但能解決上述矛盾，還能開發(fā)出更多的具有靈活性、創(chuàng)新性和綜合性的仿真實(shí)踐項(xiàng)目，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果，豐富學(xué)生工程經(jīng)驗(yàn)。

1 組態(tài)軟件

組態(tài)軟件，又稱組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)軟件。它是數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它具有靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。MCGS（Monitor and Control Generated System，通用監(jiān)控系統(tǒng)）組態(tài)軟件是北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司研發(fā)的一套基于Windows平臺(tái)的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。MCGS組態(tài)軟件提供了豐富的圖元圖符庫，功能強(qiáng)大的繪圖工具，具有與工業(yè)設(shè)備通訊的能力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理，并能滿足動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。畫面直觀、生動(dòng)，操作簡(jiǎn)單、靈活。

2 基于MCGS組態(tài)軟件的PLC虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

2.1 PLC虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的本質(zhì)是通過MCGS組態(tài)軟件構(gòu)建虛擬硬件被控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了由計(jì)算機(jī)及組態(tài)軟件系統(tǒng)代替現(xiàn)場(chǎng)被控設(shè)備的功能，由PLC作為下位機(jī)對(duì)被控設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行控制。在利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行PLC實(shí)驗(yàn)的過程中，用戶可通過PC/PPI通信電纜，完成上位機(jī)組態(tài)軟件與PLC的數(shù)據(jù)通信，采集PLC存儲(chǔ)器及I/O端子的數(shù)據(jù)，并驅(qū)動(dòng)組態(tài)運(yùn)行環(huán)境中的模擬設(shè)備的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)模擬和監(jiān)控的功能，同時(shí)檢驗(yàn)PLC系統(tǒng)控制功能的正確與否。

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由計(jì)算機(jī)，MCGS組態(tài)軟件,PC/PPI通信電纜，PLC，STEP7 MicroWIN 編程軟件及常用外部輸入設(shè)備組成。如圖1所示。在無法提供按鈕、開關(guān)、傳感器等輸入設(shè)備的情

況下，也可設(shè)計(jì)成全虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖1 PLC虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)組成

2.2 PLC虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)與設(shè)計(jì)

不同的PLC控制系統(tǒng)，控制功能和輸入/輸出設(shè)備是不一樣的。PLC虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的核心是針對(duì)不同的PLC控制系統(tǒng)，利用MCGS組態(tài)控制軟件，設(shè)計(jì)制作與之對(duì)應(yīng)的組態(tài)監(jiān)控工程，通過組態(tài)監(jiān)控工程實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)備動(dòng)作狀態(tài)的虛擬仿真。其設(shè)計(jì)流程是：根據(jù)PLC系統(tǒng)控制要求,開發(fā)相應(yīng)的組態(tài)監(jiān)控動(dòng)畫界面,設(shè)置數(shù)據(jù)對(duì)象,選擇運(yùn)行策略,設(shè)置硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)備，并建立數(shù)據(jù)通道連接等。在此，以運(yùn)料小車精確定位控制系統(tǒng)為例，概括說明設(shè)計(jì)過程。

2.2.1 分析控制要求，確定被控對(duì)象及控制功能

運(yùn)料小車精確定位控制系統(tǒng)由儲(chǔ)料倉，直線導(dǎo)軌運(yùn)料小車，步進(jìn)電機(jī)，電磁換向閥、推料氣缸等元件組成。被控對(duì)象為運(yùn)料小車，需要通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)料小車作直線運(yùn)動(dòng)，將六種不同顏色芯質(zhì)的料塊送到指定倉庫存儲(chǔ)。具體操作：按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入啟動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行指示燈點(diǎn)亮。人工放置料塊到小車上，按下該料塊的選擇按鈕，PLC開始向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)正轉(zhuǎn)運(yùn)行，運(yùn)料小車左移，將料塊送至指定的倉庫入口，電機(jī)停止運(yùn)行。同時(shí)，推料氣缸的活塞桿伸出，將料塊推入料庫，延時(shí)2秒，活塞桿復(fù)位，步進(jìn)電機(jī)重新啟動(dòng)反轉(zhuǎn)運(yùn)行，運(yùn)料小車右移，返回原點(diǎn)位置停下來，原點(diǎn)限位開關(guān)再次為ON，一次運(yùn)料過程結(jié)束。小車在原點(diǎn)等待下一個(gè)入庫的料塊。

設(shè)計(jì)組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)前，首先要仔細(xì)閱讀PLC控制要求,明確系統(tǒng)輸入/輸出設(shè)備，確定控制邏輯與功能，規(guī)劃組態(tài)工程框架，包括初步確定用戶窗口，確定組態(tài)工程數(shù)據(jù)對(duì)象，確定動(dòng)畫顯示方式，確定工程中的PLC數(shù)據(jù)采集與組態(tài)環(huán)境中數(shù)據(jù)庫變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系等。

2.2.2 仿真動(dòng)畫界面設(shè)計(jì)

借助MCGS豐富的圖形庫中圖符和工具箱中的繪圖工具，設(shè)計(jì)制作動(dòng)畫畫面，包括運(yùn)料小車、小車上的推料氣缸、步進(jìn)電機(jī)、倉庫、指示燈、按鈕、數(shù)據(jù)顯示標(biāo)簽框等，畫面中的圖形對(duì)象即為虛擬仿真硬件設(shè)備。虛擬仿真平臺(tái)畫面如圖2所示。

圖2 用組態(tài)軟件構(gòu)建的運(yùn)料小車精確定位控制系統(tǒng)的虛擬仿真界面

2.2.3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是MCGS工程的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心。建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的實(shí)質(zhì)就是定義數(shù)據(jù)對(duì)象。通過數(shù)據(jù)對(duì)象值得變化，驅(qū)動(dòng)其所關(guān)聯(lián)的圖符產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)畫效果，模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)備的動(dòng)作狀態(tài)，達(dá)到仿真目的。運(yùn)料小車精確定位控制系統(tǒng)建立的數(shù)據(jù)對(duì)象如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)對(duì)象

圖4 運(yùn)料小車水平移動(dòng)屬性設(shè)置

2.2.4 動(dòng)畫連接設(shè)計(jì)

通過前期編輯設(shè)計(jì)的虛擬設(shè)備畫面是靜止的，為了能產(chǎn)生預(yù)期的動(dòng)畫效果，必須進(jìn)行動(dòng)畫連接。動(dòng)畫連接的工作包括圖元、圖符屬性設(shè)置，運(yùn)行策略組態(tài)（如循環(huán)策略、腳本策略等）。在運(yùn)料小車精確定位控制系統(tǒng)中，對(duì)運(yùn)料小車做了水平移動(dòng)屬性和可見度設(shè)置，推料氣缸做了水平移動(dòng)屬性、大小變化屬性和可見度屬性設(shè)置，對(duì)活塞桿末端的撞塊設(shè)置水平移動(dòng)屬性、垂直移動(dòng)屬性和可見度屬性，如圖4所示。對(duì)按鈕做了操作屬性設(shè)置，各標(biāo)簽框做了顯示輸出屬性設(shè)置。指示燈做了可見度屬性設(shè)置等。接下來，選擇使用循環(huán)策略，設(shè)置循環(huán)策略執(zhí)行周期時(shí)間為200ms，并在循環(huán)策略中添加控制小車水平移動(dòng)量的腳本程序，例如控制運(yùn)料小車水平移動(dòng)到1號(hào)倉庫入口的腳本程序語句段為：

由腳本語句控制數(shù)據(jù)對(duì)象水平移動(dòng)量的值的變化，再結(jié)合運(yùn)料小車水平移動(dòng)屬性參數(shù)設(shè)置，即可實(shí)現(xiàn)小車由原點(diǎn)移動(dòng)到1號(hào)倉庫入口的動(dòng)畫效果。

除了上述設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)之外，某些控制系統(tǒng)還要進(jìn)行報(bào)警、數(shù)據(jù)報(bào)表、數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)曲線等的組態(tài)過程，要在主控窗口進(jìn)行菜單設(shè)計(jì)等，如基于MCGS組態(tài)的PID調(diào)節(jié)規(guī)律虛擬實(shí)驗(yàn)，基于MCGS組態(tài)的水箱液位控制虛擬實(shí)驗(yàn)等。

2.2.5 設(shè)備通訊與通道連接設(shè)計(jì)

MCGS組態(tài)軟件與PLC的數(shù)據(jù)通訊是通過在MCGS組態(tài)軟件的設(shè)備窗口中添加PLC硬件設(shè)備，進(jìn)行通信參數(shù)設(shè)置，并進(jìn)行通道連接而實(shí)現(xiàn)的。

在設(shè)備組態(tài)窗口中，先添加串口通訊父設(shè)備，再選擇西門子S7-200PPI 為通訊子設(shè)備。然后選擇通信協(xié)議為PPI通信方式，對(duì)添加的通訊設(shè)備進(jìn)行屬性設(shè)置，屬性設(shè)置要嚴(yán)格對(duì)照PLC編程軟件STEP7Micro/WIN 的通信窗口中已設(shè)置好的通信參數(shù)（包括通信地址、通信速率、通信時(shí)間及通信端口等）進(jìn)行。如圖5所示。通道連接是將組態(tài)工程中的數(shù)據(jù)對(duì)象與實(shí)際的PLC設(shè)備的數(shù)據(jù)之間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，這樣,當(dāng)PLC 內(nèi)部的存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，上位機(jī)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對(duì)象值就隨之變化，或當(dāng)上位機(jī)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對(duì)象值變化時(shí)，PLC 內(nèi)部的可讀寫型的存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)隨之被改寫。如圖6所示。

圖5 運(yùn)料小車虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備組態(tài)窗口

圖6 運(yùn)料小車虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通道連接

3 PLC實(shí)驗(yàn)在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的實(shí)現(xiàn)

在利用組態(tài)軟件開發(fā)的PLC虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行PLC實(shí)驗(yàn)時(shí)，用戶只需要參考通道連接進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)的I/O配置，根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)好PLC程序，下載到PLC的程序存儲(chǔ)器中，再將PLC設(shè)置成RUN模式。然后關(guān)閉STEP7 MicroWIN編程軟件，打開運(yùn)料小車組態(tài)虛擬實(shí)驗(yàn)工程，進(jìn)入設(shè)備屬性窗口的設(shè)備調(diào)試頁，進(jìn)行設(shè)備通訊連接的調(diào)試，若調(diào)試窗口中，通道的數(shù)據(jù)為0,則表示MCGS組態(tài)軟件與PLC通信連接成功；若通道的數(shù)據(jù)不為0,則表示通信連接不正常。在通信正常情況下，啟動(dòng)PLC系統(tǒng)運(yùn)行，組態(tài)軟件將讀取PLC 的數(shù)據(jù)，來模擬被控對(duì)象的動(dòng)作，以驗(yàn)證PLC程序的邏輯功能是否正確。如有錯(cuò)誤，修改PLC程序，重新按照上述步驟進(jìn)行驗(yàn)證。

值得注意的是，組態(tài)虛擬實(shí)驗(yàn)工程還可做成完全虛擬的模式，即就PLC的硬件輸入設(shè)備都沒有的情況下，可通過上位機(jī)給PLC系統(tǒng)送入啟/停信號(hào)。此時(shí)在進(jìn)行通道連接中，因?yàn)镻LC的I寄存器為只讀型（只能讀PLC輸入端子的狀態(tài)），所以，可將虛擬輸入設(shè)備的信號(hào)送入PLC的M寄存器中，給PLC系統(tǒng)送入啟/停命令。但必須要求學(xué)生對(duì)PLC程序做相應(yīng)修改，將程序中輸入繼電器I替換成輔助繼電器M；或者給原程序中的輸入繼電器I常開觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)分別并聯(lián)和串聯(lián)一個(gè)輔助繼電器M，要注意與原PLC程序中的已使用過的其他M 區(qū)別開來。這樣，只需一臺(tái)PLC,一根PC/PPI電纜，一臺(tái)裝有MCGS組態(tài)軟件和PLC編程軟件的計(jì)算機(jī)，即可完成PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

4 結(jié)束

筆者利用組態(tài)軟件開發(fā)設(shè)計(jì)出的PLC虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包含了眾多PLC虛擬控制對(duì)象，如自動(dòng)送料裝車系統(tǒng)，電機(jī)運(yùn)行控制、交通信號(hào)燈控制、物料分揀檢測(cè)系統(tǒng)控制、分揀系統(tǒng)搬運(yùn)機(jī)械手監(jiān)控、花式噴泉控制、模擬量變頻閉環(huán)調(diào)速、自動(dòng)生產(chǎn)線分揀單元監(jiān)控，自動(dòng)售貨機(jī)等等。這些組態(tài)項(xiàng)目既有基本指令編程練習(xí)，也有較為復(fù)雜的邏輯控制，這些虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，畫面形象、逼真且生動(dòng)；使用方便，操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)且具有可擴(kuò)展性。在統(tǒng)一安裝了MCGS應(yīng)用程序的大型機(jī)房，配置上s7-200PLC和PC/PPI電纜即可進(jìn)行PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)。此虛擬平臺(tái)的開發(fā)與應(yīng)用不但解決各院校實(shí)訓(xùn)設(shè)備資源有限的問題，滿足范圍日益擴(kuò)大的“做學(xué)教一體化”的教學(xué)需求，同時(shí)可提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。實(shí)踐證明，借助工控組態(tài)軟件開發(fā)設(shè)計(jì)的PLC虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)切實(shí)可行，值得推廣和借鑒。

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[4] 屠志戀，羅黎霞.基于MCGS組態(tài)軟件的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].機(jī)電技術(shù),2011(6):44-46.

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The PLC Virtual Simulate Experiment system’s design and implementation based on the configuration softwar

Li Ning
(Automation Engineering College，Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute,Xi'an,710089，China)

There are some problems in higher vocational institutes.Such as the PLC experiment hardware equipment is insufficient, the lack of the experimental project,and the experimental teaching potency dimension increased.To solve the problems,this paper puts forward an approach.Use the MCGS configuration software,to design and develop PLC virtual experiment system.Include the construction of virtual experiment system,the design process of the experimental project，the realization of the PLC experiments in the virtual experiment platform.

MCGS； configuration software； PLC； Virtual Experiment

李寧（1975-），女，安徽阜陽，碩士在讀，講師，研究方向：控制工程，PLC、組態(tài)及現(xiàn)場(chǎng)總線