基于MCGS的十字路口交通燈仿真實驗平臺設計

苗榮霞，齊立坤

（西安工業(yè)大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710021）

在現(xiàn)代工業(yè)自動化四大支柱中位居首位應用深廣度上，還沒有任意一種控制設備能與PLC相媲美，隨著計算機科學技術的進步，特別是計算機控制技術的發(fā)展，各行各業(yè)對PLC技術人員的需求量急劇上升，對于還在學校的自動化、電氣工程專業(yè)學生來說掌握好PLC技術已可刻不容緩，從而要更加重視PLC的學習。PLC教學實驗需要解決的關鍵問題是PLC的控制對象。PLC的傳統(tǒng)控制對象是實物模型，但食物模型一般存在成本高、難維護、種類少等不足。實驗裝置通常包括PLC與相關的實驗操作面板。實驗模塊上包括了按鈕和指示燈，實驗時按下相關的按鈕，起動PLC中的程序，同時模塊上對應指示燈表示PLC對控制對象的控制情況，這種用指示燈模擬顯示PLC控制對象，與實物模型相比成本低，但存在人機界面、可視性差、結(jié)果觀察不直觀等缺點。利用組態(tài)軟件制作出動畫形式直觀逼真地顯示控制對象的PLC動態(tài)控制過程，既可以克服實物模型的缺點，又可利用有限的設備結(jié)合多樣化的程序豐富學生的實驗課內(nèi)容，提高本課程的理論與實驗教學水平和教學效果，提高學生對PLC實驗的興趣和理解，更好的掌握所學的內(nèi)容。組態(tài)程序具有成本低、維護方便、靈活多樣、形象直觀等優(yōu)點。

1 MCGS軟件介紹

MCGS是用于快速構(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的各種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，在自動化領域有著廣泛的應用。

MCGS嵌入式體系結(jié)構(gòu)分為組態(tài)環(huán)境、模擬運行環(huán)境和運行環(huán)境3部分。組態(tài)環(huán)境和模擬運行環(huán)境相當于一套完整的工具軟件，可以在PC機上運行。用戶可根據(jù)實際需要裁減其中內(nèi)容。它幫助用戶設計和構(gòu)造自己的組態(tài)工程并進行功能測試。

由MCGS嵌入版生成的用戶應用系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略5個部分構(gòu)成，如圖1所示。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

利用MCGS組態(tài)軟件設計PLC仿真控制對象，是指在計算機上運行事先編寫好的MCGS仿真程序，用軟件提供的圖形動畫來代替硬件（被控對象）的工作，借助計算機屏幕觀察控制過程與結(jié)果。仿真PLC控制對象的實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 MCGS的組成圖Fig.1 MCGS components

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System structure diagram

3 十字路口交通燈仿真實驗平臺的設計

十字路口交通燈是PLC實驗中典型示例之一，本文以該實驗為例來說明利用MCGS組態(tài)軟件進行PLC實驗仿真實驗平臺設計的的基本方法。本設計主要包括以下四個部分：監(jiān)控界面的設計、運行策略、通訊設計、運行和調(diào)試。

3.1 監(jiān)控界面的設計

將MCGS組態(tài)軟件用于PLC實驗教學可通過電腦動畫顯示，監(jiān)控實驗的動態(tài)過程，使其具有直觀性、靈活性和參與性。

1）仿真畫面。為了能夠形象生動地表示真實的被控對象，仿真人機界面需要通過繪制逼真的平面或立體圖形來展現(xiàn)。在MCGS組態(tài)平臺上，進入用戶窗口的"動畫組態(tài)"，即進入監(jiān)控界面制作窗口。圖3為十字路口交通燈的仿真畫面

2）建立數(shù)據(jù)庫

圖3 十字路口交通燈仿真畫面Fig.3 Crossroads traffic lights simulation screen

數(shù)據(jù)庫是MCGS軟件的核心部分，實驗項目要以動畫的形式反映在屏幕上，操作者在計算機前發(fā)布的指令也要迅速送到實驗PLC上，所有這一切都是以實時數(shù)據(jù)庫為中介環(huán)節(jié)，所以說數(shù)據(jù)庫是聯(lián)系上位機和下位機的橋梁。在組態(tài)軟件中建立一個工程，在導航器的實時數(shù)據(jù)庫中根據(jù)控制系統(tǒng)輸入輸出信號的數(shù)量建立相應的變量如表一，并為每個變量定義一個名稱，確定變量的類型，只要把I/O變量連結(jié)到前面定義的外部設備上，就可以和組態(tài)軟件開發(fā)的仿真系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)了。

3）動畫鏈接

仿真界面設計完成后，還需要動態(tài)顯示PLC控制過程，需要對這些圖形對象進行動畫設計，形象生動的展示被控對象的變化過程，達到過程實時監(jiān)控的目的。在MCGS組態(tài)軟件中實現(xiàn)圖形動畫設計的主要方法是將用戶窗口中圖形對象與實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象建立相關性連接，并設置相應的動畫屬性。在系統(tǒng)運行過程中，圖形對象的外觀和狀態(tài)特征由數(shù)據(jù)對象的實時采集值驅(qū)動，從而實現(xiàn)了圖形的動畫效果。動畫鏈接設計窗口如圖4所示。

3.2 運行策略

運行策略是組態(tài)軟件MCGS為用戶提供的一個比較高級的開發(fā)平臺。在這一平臺中，MCGS中包括了大量的運行策略構(gòu)件，比如腳本程序、窗口操作、存盤數(shù)據(jù)瀏覽和定時計數(shù)操作等。通過運行策略這一平臺，可以編寫與設計界面有關的動畫程序或是編寫與現(xiàn)場控制參數(shù)有關的數(shù)據(jù)處理控制程序，還可以利用其提供的定時器構(gòu)件實現(xiàn)現(xiàn)場需要的定時操作，打開關閉各種窗口及策略等。運行策略組態(tài)如圖5所示。

表1 數(shù)據(jù)對象定義表Tab.1 Data object definition table

圖4 動畫鏈接設計窗口Fig.4 Animation link design window

圖5 運行策略組態(tài)Fig.5 Operation strategy configuration

3.3 通訊設計

設備構(gòu)件是MCGS系統(tǒng)對外部設備實施設備驅(qū)動的中間媒介，通過建立的數(shù)據(jù)通道，在實時數(shù)據(jù)庫與測控對象之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，達到對外部設備的工作狀態(tài)進行實時檢測與控制的目的。MCGS系統(tǒng)內(nèi)部設立有“設備工具箱”，工具箱內(nèi)提供了與常用硬件設備相匹配的設備構(gòu)件。在設備窗口內(nèi)配置設備構(gòu)件的操作方法是：

1）選擇工作臺窗口中的“設備窗口”標簽，進入設備窗口頁。

2）鼠標雙擊設備窗口圖標或單擊“設備組態(tài)”按鈕，打開設備組態(tài)窗口。

圖6 設備工具箱Fig.6 Equipment toolbox

圖7 設備組態(tài)窗口Fig.7 Device configuration window

3）在設備組態(tài)窗口中單擊右鍵或單擊工具箱按鈕，單擊打開設備工具箱，見圖6。

4）雙擊設備工具箱中的串口通訊父設備，便完成了將其添加到設備組態(tài)窗口，用同樣的方法可將西門子S7-200PPI添加到設備組態(tài)窗口，見圖7。

3.4 運行和調(diào)試

工程初步建立起來后，進入到運行和調(diào)試階段。在組態(tài)軟件開發(fā)系統(tǒng)中選擇“文件 切換到 View”菜單命令，進入MCGS運行系統(tǒng)。在運行系統(tǒng)中選擇“畫面 打開”命令，從“打開畫面”窗口選擇“T e s t”畫面。

4 結(jié) 論

基于MCGS組態(tài)軟件的PLC實驗教學，充分體現(xiàn)了MCGS組態(tài)軟件的強大數(shù)據(jù)處理和圖形表現(xiàn)能力與強抗干擾能力的完美結(jié)合，是PLC實驗教學方式的一種探索、一種改革、一種進步。PLC以及組態(tài)軟件就可以完成整個教學實驗系統(tǒng)的開發(fā)，這樣就解決了各高校開展PLC實驗課題難或無法開展PLC實驗課題的問題，與傳統(tǒng)的實驗方法相比，基于組態(tài)軟件的PLC控制系統(tǒng)仿真實現(xiàn)的優(yōu)點在于:實驗經(jīng)費少、實驗設備簡單、實驗條件容易滿足、安全系數(shù)高、實驗現(xiàn)象直觀、提高學生學習興趣等。

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